Atividades experimentais para ensinar Física

Atividades experimentais para
ensinar Física
Francklin E. M. Cerqueira
AGRADECIMENTOS
Esta obra é apenas uma expressão acanhada, devido às minhas
limitações pessoais, das imensas contribuições recebidas das pessoas aqui
lembradas.
Algumas destas me acompanham sempre nas lembranças e no
coração. Meu avô e meu pai, com suas observações sobre as coisas e seus
universos através de frases muito soltas. Forma típica de expressar grande
sabedoria utilizada pelas pessoas simples do campo! Dr. Brant, meu canal de
aproximação com o universo cultural (Me dói a ausência física de vocês!).
Lembro-me dos meus alunos, com suas questões e dificuldades, o que
me levava a ser criativo para atendê-los, e da alegria que expressavam em
seus sorrisos e brincadeiras, o que me dava disposição para o trabalho e o
prazer de realizá-lo. Meus colegas e amigos (com saudades devido à
ausência de alguns) companheiros do fazer diário do hoje e do amanhã. Dos
mestres que tive e que incidiram luz para este fazer.
A professora Beatriz Alvarenga, que me introduz no universo da
Física através de sua obra e sua dinâmica atuação na difusão desta ciência.
Sem contar o apoio cordial e de estímulo todas as vezes que recorro à sua
ajuda. O professor Prado, que me trouxe para o universo de “como aprender
e como ensinar”, levando-me a deixar o bacharelado pela licenciatura em
Física. Companheiro sempre presente, gentil e estimulador no meu caminhar
pedagógico.
Meus familiares, que além do apoio, tiveram tolerância com minha
obsessão pelo trabalho, faltando-me com eles na atenção e presença. Sendo
os mais próximos são também os que mais sofrem! A todos, meus
sentimentos de apreço e agradecimento.
Francklin
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INFORMAÇÃO
Os equipamentos
reproduzidos nas
ilustrações
compõem o
“LABORATÓRIO
DE FÍSICA –
ENSINO BÁSICO”
PRODUZIDO E DISTRIBUIDO POR:
LABORATÓRIOS EDUCACIONAIS
FRANCKLIN LTDA
R. Dornas Filho, 85 – Cerqueira Lima – Itaúna –MG - CEP 35680-466
Tel/Fax (0xx37) 32421983 – www.leduc.com.br
Digitação, diagramação e arte:
Viviane Queiroz Cerqueira
Revisão:
Francklin Cerqueira
Itaúna, 2004
2
PREFÁCIO
O ensino da física, em qualquer nível, tem sido um verdadeiro desafio.
Algumas das dificuldades do aprendizado desta disciplina são próprias dela,
como: a extensão dos conteúdos, seu grau de abstração, seu formalismo
matemático e a exigência de recursos materiais específicos para sua
abordagem experimental. Outras dificuldades são mais particulares e
dependem do grau e do nível de ensino considerado.
No ensino da Física, no ensino médio, duas questões nos parecem
responsáveis pela maioria das dificuldades da aprendizagem desta ciência
pelos nossos jovens. Uma é o despreparo com o qual o aluno chega ao
ensino médio para enfrentar os conteúdos de Física propostos para este grau
de ensino. Esta situação leva-os ao desinteresse por esta disciplina e ao
fracasso escolar. Aliado a isto está a dificuldade do professor de abordar a
Física de forma motivadora e dar oportunidade ao aluno de superar suas
limitações dentro de um processo evolutivo. A outra questão é a de maior
interesse para nós neste trabalho e refere-se aos recursos materiais
disponíveis para a abordagem experimental da Física no ensino médio e a
forma de como utilizar estes recursos.
Podemos associar o despreparo do aluno ao pouco uso que ele faz hoje
da linguagem escrita. Convivendo desde criança com a utilização acentuada
da linguagem visual e oral o jovem resiste em empregar a linguagem escrita.
Ele pouco lê ou escreve. Através da linguagem escrita o indivíduo é forçado
a elaborar melhor seus pensamentos e usar as palavras com mais rigor e
precisão quanto aos conceitos que elas expressam. A utilização freqüente da
linguagem escrita leva à formação de hábitos indispensáveis no aprendizado
da Física. Pois esta disciplina exige que o aprendiz organize as informações
de forma lógica, consistente e coerente com os fatos e que expresse esta
elaboração em linguagem objetiva e precisa. Pelo exposto, pode-se
compreender a dificuldade que os alunos do ensino médio manifestam na
interpretação de textos de Física ou de situações físicas reais.
O tratamento quantitativo (matemático) da Física explicita com maior
evidência a coerência lógica do conhecimento físico, porém, para o aluno,
que apresenta grandes limitações em cálculos matemáticos, esta abordagem
gera dificuldades a mais na apreensão desse conhecimento. Assim, a
matematização da Física torna-se um empecilho à sua aprendizagem, ou
pouco contribui, para promover a compreensão de suas leis, princípios e
conceitos.
3
Além das limitações do aluno de ensino médio de ler, escrever e
calcular há também uma certa pobreza de informações no seu quadro de
referências causais. Pelo fato de vivermos hoje dentro de uma estrutura
econômica voltada para o consumismo, as nossas interações com os
aparelhos com os quais convivemos são sempre muito simplificadas.
Apertamos um botão e temos o efeito sem necessidade de tomarmos
conhecimento das causas. Com isso os jovens desenvolvem pouco hábito de
observar e estabelecer as relações de causa e efeito entre os fenômenos com
os quais deparam no seu cotidiano.
A superação de deficiências curriculares do aluno requer grande
esforço por parte dele e muito apoio dos professores. Quando há um
planejamento interdisciplinar nesse sentido consegue-se grandes mudanças
em pouco tempo. Mas uma dificuldade tão grande quanto ensinar Física para
alunos despreparados é conseguir elaborar e executar esse planejamento
interdisciplinar nas escolas de ensino médio atuais. Resta ao professor
elaborar seu plano de curso priorizando a superação das limitações do aluno
a todo o momento do seu trabalho. Para isto é necessário propor atividades
que motivem o aluno a ler, escrever, calcular e reelaborar seus pensamentos.
Como a quase totalidade dos nossos professores de Física não é habilitada
por curso de licenciatura de Física (e mesmo os que foram) geralmente
dispõem de poucos recursos para manter a motivação dos alunos durante
todo o curso. Professores de Física habilitados pelos cursos de Matemática
quase sempre recorrem a matematização e abordam os conceitos e leis
apenas pelos seus aspectos quantitativos. O aspecto fenomenológico
raramente é trabalhado devido também à escassez de equipamentos
específicos nas nossas escolas e a pouca prática dos professores na
realização de atividades experimentais.
Pensando em contribuir na ruptura do ciclo vicioso, conforme
exposto, no ensino da Física, no ensino médio, é que propomos este trabalho.
Apresentaremos uma proposta de ensino de Física centralizada na atividade
experimental, valendo-se de recursos materiais sem muita sofisticação e
custo baixo em relação aos equipamentos similares disponíveis no comércio.
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APRESENTAÇÃO
Este livro e o conjunto de equipamentos pedagógicos que permite
executar as atividades experimentais propostas (Laboratório de Física –
Ensino Básico) surgem como resultado das reflexões e alternativas
encontradas para superar dificuldades enfrentadas no ensino de Física, ao
buscar constantemente melhoria no processo ensino-aprendizagem desta
ciência, durante trinta anos de minha atuação como professor de Ciências e
de Física.
Inicialmente a falta de recursos materiais indispensáveis a este fim era
superada pela montagem de aparelhos simples por mim e meus alunos,
através de trabalhos propostos a eles e desenvolvidos paralelamente ao curso
ministrado, ou pela utilização de materiais improvisados que pudessem
evidenciar os fenômenos físicos em questão.
O questionamento sucessivo da metodologia que empregava levou-me
à busca de uma proposta pedagógica coerente com os recursos disponíveis e
com o quadro sócio-econômico e cultural dos alunos. Tentava, assim,
estabelecer um processo sólido e dinâmico de ensino de Física, em que o
aprendiz alcançasse a compreensão das leis físicas e do universo através
destas, além de poder avaliar o quanto o conhecimento científico vem
propiciando ao homem mudanças no seu universo.
Ensino Interativo de Física surge da certeza de que a abordagem
experimental da Física, de forma interativa, é um caminho seguro para
conduzir uma aprendizagem crítica e consistente desta matéria. A proposta é
que este livro sirva de apoio ao professor que ensina Física no ensino médio.
Nele o professor encontrará sugestões de atividades experimentais para
serem conduzidas de forma interativa, onde ele fará a escolha delas e
proporá a seqüência que julgar mais conveniente para o curso que pretenda
desenvolver com seus alunos. É aconselhável que essas atividades sejam
empregadas como ponto de partida para o assunto escolhido.
O equipamento pedagógico empregado para as atividades
experimental propostas foi organizado em um estojo transportável e
elaborado de forma a permitir seu uso na própria sala de aula, em
demonstrações para toda a classe. Evidentemente que o professor poderá
valer-se de outros equipamentos caso não disponha deste. Com este mesmo
estojo de equipamentos pode-se equipar o laboratório da escola e usá-lo em
grupos de até seis alunos; para isto foram elaboradas fichas de atividades
específicas para eles.
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ESTRUTURA DAS ATIVIDADES PROPOSTAS
Todas as atividades têm uma mesma apresentação, com a finalidade de
facilitar o trabalho do professor, tanto na escolha como no encaminhamento
delas, a saber:
TÍTULO:
Evidencia o assunto abordado.
OBJETIVO:
Indica a extensão e a profundidade com a qual o assunto será tratado e
visa a auxiliar o professor na escolha da atividade.
MATERIAL:
Informa o equipamento necessário para a realização do experimento e
refere-se aos componentes do “Laboratório de Física – Ensino Básico”,
produzido e distribuído por Laboratórios Educacionais Francklin Ltda. Pode
ser substituído por outro equivalente ou similar.
PROBLEMATIZAÇÃO:
Consiste de uma questão, uma situação descrita, ou um experimento
inicial (apresentados em forma de desafios) e tem como objetivo envolver os
alunos na atividade que será desenvolvida a seguir. Inicia o processo
interativo gerando polêmica sobre o assunto, por ser uma situação inusitada
ou por gerar uma “desequilibração” (na linguagem de Piaget) com um
resultado imprevisível, aparentemente impossível ou sem consistência
lógica.
Geralmente o material concreto em si desperta motivação na maioria dos
alunos, levando-os a mexer, fazer, observar, brincar, etc. O quê é bom, mas
não é suficiente para que eles aprendam. (A aprendizagem que buscamos
significa apreender um conjunto de observações e informações e interiorizalo de forma organizada e bem elaborada, permitindo ao aprendiz valer-se
desta aprendizagem para promover transformações em seu meio, ou no seu
comportamento, ou ainda, permitir-lhe novas aprendizagens).
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Para efetivar a aprendizagem é necessário geralmente auxílio externo
através de situações concretas, novas informações ou nova lógica
organizativa dos dados que o aprendiz possui, gerando uma motivação
interna no aprendiz. Cabe a nós, professores, com o auxílio do material
didático - pedagógico, estabelecer um processo de aprendizagem no aluno.
Motivá-lo externa e internamente e auxiliá-lo neste processo.
DESENVOLVIMENTO
A partir de uma ilustração orienta o professor como realizar a montagem
do experimento e sugere como conduzi-lo de forma objetiva e que permita a
participação dos alunos.
QUESTÕES
Sugere explorações do experimento realizado a partir das observações
feitas ou dos resultados obtidos. Sempre que possível aponta para aplicações
usuais do assunto abordado e para possíveis generalizações dele. O professor
poderá transferi-las para os alunos ou orientar-se por elas na discussão com
seus alunos sobre os experimentos realizados.
COMPLEMENTOS
Em algumas das práticas sugeridas são apresentados outros experimentos
complementares ou comentários pertinentes ao assunto ou outros desafios ou
questões.
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1 - COMO EFETUAR UMA MEDIDA
OBJETIVOS
• Distinguir os algarismos corretos do algarismo duvidoso em uma medida;
• Relacionar a unidade da escala e o número de algarismos significativos
com a precisão da medida efetuada.
MATERIAL
Régua de 4 escalas
Tampa da caixa
Tubo de ¼” com 40cm
PROBLEMATIZAÇÃO
É possível efetuar uma medida com absoluta precisão como, por
exemplo, medir um comprimento, um intervalo de tempo, uma certa massa,
um volume, etc. sem cometer nenhuma margem de erro?
DESENVOLVIMENTO
Após uma breve discussão da questão acima
pelos alunos, o professor poderá recorrer a algum
aluno (ou ele próprio) e medir o comprimento da
tampa da caixa com o tubo, depois com as
escalas: dm, cm, mm, enquanto vai preenchendo
cada coluna do quadro abaixo, transcrito para o
quadro de giz ou em folhas de papel para os
alunos.
Deve ser destacado que podemos contar
quantas unidades completas cabem na extensão
medida e que para avaliarmos a sobra é
necessário imaginarmos a unidade dividida em
dez partes iguais e então verificar a quantos
décimos da unidade corresponde esta sobra.
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Algarismos significativos
Tubo como
unidade
o
N de unidades inteiras
Fração da unidade avaliada
por você (em décimos da
unidade)
_____ ,
,_____
Medida com seus algarismos ___ , ____
significativos
Escala
em dm
Escala em
cm
Escala em
mm
______,
___ ___ ,
__ __ __ ,
, _____
, ______
, _____
___, ___
__ __ , __
__ __ __, __
QUESTÕES
1) Com base no que foi visto responda:
a) Medindo-se com uma certa escala, sobre quais algarismos nós não
teremos dúvida?
b) Qual a menor fração da escala que pode ser avaliada pelo medidor?
c) Que algarismo de uma medida pode variar entre as pessoas que
efetuam uma mesma medição?
2) Por que sempre haverá dúvida sobre o valor verdadeiro de uma medida?
3) Avalie as medidas efetuadas e responda:
a) Qual das medidas que foram feitas do comprimento da caixa você
julga ser a mais precisa (que apresenta menor erro)?
b) O que podemos dizer sobre a precisão de uma medida e o valor da
unidade da escala empregada?
c) A precisão de uma medida cresce com o aumento do número de
divisões da escala, ou seja, com o emprego de escalas menores. Explique.
4)Uma medida é expressa através dos seus algarismos significativos, que são
os algarismos corretos (que representam o número de unidades
completas) e o primeiro algarismo duvidoso (que corresponde aos
décimos da unidade). Observe as medidas obtidas acima, com seus
algarismos significativos. Diga como a quantidade deles (em uma
medida) nos dão informações sobre a precisão da medida efetuada.
COMPLEMENTOS
1) Como garantir que peças de carros, espaçonaves, etc. sejam produzidas
em locais ou em países diferentes e encaixem perfeitamente nos seus
respectivos locais?
2) Quais as unidades métricas mais convenientes para se medir:
a) Altura de uma porta?
c) Espessura de uma folha de papel?
b) Largura da sua carteira?
d) Comprimento de uma avenida?
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2 - PERÍODO DO PÊNDULO SIMPLES
OBJETIVOS
• Medir as grandezas que caracterizam as oscilações do pêndulo simples;
• Verificar que grandezas interferem no período do pêndulo simples;
• Destacar a periodicidade de movimentos como base para medida de
tempo;
• Comparar cálculos teóricos com resultados experimentais para o período
de um pêndulo simples.
MATERIAL
Cordão com ± 1m
Suporte com grampo fixador
Relógio grande (de parede) que marque segundos
3 massas de 100 g
Pino de fixação
Régua
PROBLEMATIZAÇÃO
Empregamos o ano e o dia como unidades para medir intervalos de tempo
bem como a hora, o minuto e o segundo fornecidos por um relógio. Sabemos
que os relógios dispõem de um mecanismo para funcionar, mas qual
fenômeno físico é empregado para medir o tempo?
DESENVOLVIMENTO
Após uma rápida discussão da questão
problematizadora faça a montagem, como
ilustração ao lado e execute cada etapa
proposta no quadro seguinte que deverá ser
compartilhado com os alunos através da
sua reprodução. Antes de realizar cada
etapa do experimento solicitar aos alunos
uma previsão sobre o resultado.
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Comprimento
do pêndulo
λ (m)
1
1
1
0,5*
Massa
do
pêndulo
m (g)
300
300
100
100
Amplitude
das
oscilações
A (m)
0,30
0,10
0,10
0,10
Tempo gasto
em 20
oscilações
t (seg.)
Tempo
para cada
oscilação
T (seg.)
No de
oscilações
por seg.
f (1/seg)
* Dobre o cordão
Obs: Não pendure os pesos um debaixo do outro, pendure-os lado a lado
para não alterar o comprimento do pêndulo.
Destaque inicialmente o vocabulário que será empregado:
• Pêndulo simples é qualquer massa que oscila em torno de um eixo,
sustentado por um fio inextensível de massa desprezível;
• Comprimento do pêndulo (λ) é a distância que vai do eixo até o centro
da massa;
• A uma ida e volta completa da massa dá-se o nome de oscilação completa
do pêndulo;
• Período de oscilação do pêndulo (T) corresponde ao tempo gasto para
ele descrever uma oscilação completa;
• Amplitude máxima de oscilação (A) é a distância que vai do ponto de
equilíbrio do pêndulo até ao seu afastamento máximo deste ponto;
• Denomina-se freqüência (f) ao número de oscilações dadas na unidade
de tempo.
QUESTÕES
1) Analisando o quadro verifique qual ou quais das grandezas
(comprimento, massa e amplitude) influi ou influem no período do
pêndulo.
2) O período de um pêndulo simples é determinado, teoricamente, pela
equação: T = 2π
λ
, onde λ é o comprimento do pêndulo e g a
g
aceleração da gravidade local cujo valor médio é 9,81 m/s2.
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Pergunta-se:
a) Teoricamente a massa e a amplitude do pêndulo interferem no valor do
período?
Verifique através da fórmula acima. Use a equação do
período do pêndulo simples e calcule os valores teóricos do período de
alguns dos pêndulos observados. (Considere g com o valor aproximado
de 9,8 m/s2).
Compare estes valores calculados com os valores encontrados
experimentalmente. Houve boa aproximação entre eles?
b) Tente apontar os principais fatores responsáveis pelas diferenças,
provavelmente encontradas por você, entre os valores teóricos e
experimentais para os períodos dos pêndulos que você considerou no
item anterior.
COMPLEMENTOS
1) Calcule, teoricamente, qual deverá ser o comprimento de um pêndulo
para que seu período seja de 1 segundo. Construa um pêndulo com o
comprimento igual ao valor encontrado acima e confira,
experimentalmente, se o período dele será, de fato, 1 segundo.
2) Se diminuirmos o comprimento do pêndulo de um relógio ele irá
adiantar ou atrasar? Explique.
3) A quais fenômenos físicos correspondem os períodos de tempo:
a) um dia?
b) um ano?
c) cada uma das quatro estações do ano?
4) Como você responderia agora à questão inicial da problematização?
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3 - MEDINDO MASSAS
OBJETIVOS
• Efetuar medidas de massa, com uma balança de um prato;
• Analisar o funcionamento deste tipo de balança.
MATERIAL
Suporte com grampo fixador
3 pinos de fixação
Régua
Massas de 100g
Bequer com alça
Ganchos em C
PROBLEMATIZAÇÃO
É possível manter uma régua, com um eixo central, equilibrada na
horizontal pendurando em seus braços massas iguais e depois massas que
sejam o dobro e o triplo da outra?
DESENVOLVIMENTO
Após realizar o desafio com os alunos, empregando o material disponível,
verificar a condição para que haja o equilíbrio, ou seja: m1X1 = m2X2
(visto que na barra de momento F1X1 = F2X2 e no nosso caso: F1 = P1 e
F2 = P2 , vem: P1X1 = P2X2 ou m1 g X1 = m2 g X2 , logo: m1X1 = m2X2 )
Fixe o suporte na mesa e monte
nele a balança conforme
ilustração.
Inicialmente é necessário
determinar a massa do bequer
com sua alça (mb). Para isso,
pendure o bequer, vazio, na
extremidade da régua e uma
massa no outro braço da régua.
Leia na régua a posição (Xo) da
massa
quando
ocorrer
o
equilíbrio.
Peça aos alunos para calcular o valor da massa do balde a partir do valor
de X0:
100 X0 = mb 20
ou
mb = 100 Xo / 20 = 5 Xo
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Uma vez conhecida a massa do bequer podemos empregar a balança para
determinar qualquer massa (mx). Basta para isso colocá-la no bequer e
deslocar a massa de 100g para uma posição (X) que equilibre a régua.
Temos:
100 X = (mx + mb) 20
logo:
ou
mx + mb = 100 X / 20
mx = 5X - mb
Peça aos alunos para determinarem a massa de alguns objetos como:
borracha, chaveiro, moedas, etc.
QUESTÕES
1) Para massas maiores que (100 - mb), em gramas, use duas ou mais massas
de 100 g penduradas na alça móvel. Neste caso a equação acima sofrerá as
seguintes mudanças:
Para
200 g fica
mx = 10 X - mb
300 g fica
mx = 15 X - mb
400 g fica
mx = 20 X - mb
Verifique o porquê das alterações na equação de mx.
2) Utilize a balança para verificar se as massas de chumbo do Kit estão
padronizadas.
3) Verifique qual a sensibilidade da balança construída, ou seja, a menor
massa que ela nos permitirá medir.
Sugestão: Acrescente água no bequer com uma seringa.
COMPLEMENTOS
1) Você já deve ter visto que na Física é indispensável a distinção entre
peso e massa (vide prática 25 – Peso e Massa ). Balança mede massa e
dinamômetro mede peso, que é um tipo de força. A balança que
empregamos nesta prática mede a massa através do peso. Ela funcionaria
corretamente na Lua onde os objetos pesam menos do que aqui na Terra?
Ela funcionaria em alguma região do espaço que não tivesse força
gravitacional?
2) Faça uma pesquisa sobre como medir a massa de um corpo de forma que
não dependa do peso dele.
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4 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS I - INTRODUÇÃO
OBJETIVOS
• Mostrar a possibilidade de substituir uma força por duas outras
equivalentes e vice-versa.
• Mostrar que a resultante de duas forças depende do ângulo entre alas.
MATERIAL
Suporte com fixador
1 cordão com ± 50cm
5 massas de 100 g
1 roldana com alça
2 dinamômetros
1 pino de fixação
PROBLEMATIZAÇÃO
Como fazer o dinamômetro (na montagem abaixo) fornecer leitura igual
à metade do valor indicado inicialmente sem alterar o peso que ele sustenta?
DESENVOLVIMENTO
Mostre inicialmente que o peso de cada massa de 100g é
aproximadamente de 1N. Depois faça a montagem ilustrada e descrita
abaixo:
A) Prenda o suporte na lateral da mesa.
Encaixe o pino no suporte e pendure
nele o dinamômetro. Faça duas alças nas
extremidades do cordão e engate-as no
gancho do dinamômetro. Ponha a
roldana no cordão com quatro massas
penduradas nela.
Se após algumas tentativas os
alunos não derem conta de resolver o
desafio proposto na problematização
sugira a remoção de uma das alças do
cordão para o pino que sustenta o
dinamômetro. Discuta com eles como o
peso ficou dividido entre as cordas.
B) Remova a alça do cordão presa ao pino para o gancho do outro
dinamômetro, sustentado por seus dedos. Leia nos dois aparelhos os
valores das forças que eles suportam para manter as massas suspensas,
inicialmente, com os ramos do cordão paralelos e, depois, com eles
formando ângulos diversos entre si.
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C) É possível inclinar uma parte do cordão mais do que a outra? Verifique.
D) Repita a situação B após pendurar as cinco massas, sem a roldana, numa
laçada feita no meio do cordão.
QUESTÕES
1) O que acontece a um corpo se ele é puxado para cima com uma força:
a) menor do que seu peso?
b) igual ao seu peso?
c) maior do que seu peso?
d) experimente suspender um corpo, colocado sobre a mesa, com um
dinamômetro para conferir, na prática, as respostas dadas aos itens
anteriores.
2) Você certamente constatou, na situação A, que a força sobre o
dinamômetro fica reduzida à metade quando se passa uma das alças do
cordão para o pino. Como você explica este fato, se as massas
penduradas, na roldana, continuaram as mesmas?
3) Em cada situação apresentada (A, B, C e D), pode-se concluir que as
forças feitas pelos dois ramos do cordão eqüivalem ao peso do corpo
suspenso por eles, porém, com sentido contrário ao do peso. A força de
ação equivalente às ações de duas ou mais forças é chamada de
resultante.
a) Qual era o valor da resultante nos itens mencionados?
b) Você observou, no item B, que os dinamômetros indicavam leituras
sempre iguais e sempre maiores à medida que aumentava o ângulo entre
eles? Caso não tenha observado, refaça este item e verifique.
Verifique também que a soma aritmética das forças feitas pelos
dinamômetros apresenta um valor maior que o peso que elas sustentam
exceto quando as duas forças estão paralelas.
COMPLEMENTO
1) Na situação D é possível sustentar a massa de 500g com os dinamômetros
indicando forças diferentes. Verifique que leituras indicarão um dos
dinamômetros quando o outro fornecer leituras de:
a) 0 N;
b) 2 N;
c) 4 N;
d) 2,5N.
2) Verifique agora se, na situação sugerida em B, é possível os
dinamômetros indicarem , por exemplo:
a) 2 N e o outro 3 N
b) 3 N e o outro 1 N
c) 4 N e o outro 5 N
d) 0 N e o outro 5 N
e) 4 N cada um deles
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5 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS – PROCESSO GEOMÉTRICO
(do paralelogramo)
OBJETIVOS
• Representar graficamente um sistema de forças;
• Determinar graficamente a intensidade, a direção e o sentido da resultante
de duas forças.
MATERIAL
Massas de 100g
2 dinamômetros
1 cordão com ± 50cm
Transferidor
Régua
PROBLEMATIZAÇÃO
Esticar um cordão entre as mãos, com uma massa de 100g pendurada no
meio dele até que ele fique reto. (Colocar a régua sobre o cordão para
verificar se ele ficou realmente alinhado)
DESENVOLVIMENTO
Após algumas tentativas para resolver o
desafio acima passe par o procedimento
seguinte:
Dê uma laçada no meio do cordão e nas
suas extremidades. Engate as extremidades do
cordão nos ganchos dos dinamômetros e
pendure as cinco massas na alça do meio.
Mantenha o conjunto suspenso próximo ao
quadro de giz. Risque no quadro as três
direções definidas pelos segmentos do cordão
e verifique o valor da força que cada um deles
sustenta.
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Faça cada 10N corresponder a 5 cm, por exemplo, e trace as setas
representando
os vetores com dimensões correspondentes aos seus
respectivos valores. Desta forma o vetor que representa o peso (P) de 5,0 N
(cinco massas) será de 25 cm., e o que representa a força atuante no 1o
dinamômetro (F1) terá comprimento igual a 5 vezes a leitura que ele
fornecer. Idem para F2.
Obs: se possível fixe uns preguinhos na moldura superior do quadro
para pendurar os dinamômetros.
QUESTÕES
1) Quanto vale a resultante de F1 e F2 se estas forças é que estão equilibrando
o peso? Qual deverá ser seu sentido? Qual será sua direção?
2) Observe que são as forças F1 e F2 , atuantes nos dinamômetros, que
sustentam o peso P das massas. Portanto a soma dos vetores F1 e F2 terá
que resultar numa força de 5,0 N, que será a resultante (R) do sistema de
forças formado pelas forças F1 e F2. (Verifique que se você somar
algebricamente os valores de F1 e F2 , indicados nos dinamômetros não
encontrará 5,0 N).
Podemos encontrar a resultante das forças F1 e F2 construindo um
paralelogramo cujos lados são estas forças. Comprove esta regra traçando
a resultante R oposta à força P e unindo as extremidades de F1 e F2 à
extremidade de R. Repita o processo após mudar os dinamômetros de
posição. (Não se esqueça de representar as forças com setas de tamanhos
proporcionais aos seus valores).
3) Trace diagramas representando os sistemas de forças constituídos pelas
forças F1, F2, P, R. Para isso é necessário você medir o ângulos entre
F1 e F2, e o ângulo entre F1 e R.
COMPLEMENTOS
1) Um equilibrista pretende fazer a travessia entre dois prédios empregando
uma corda que resiste até 5 vexes seu peso. O que você diria a ele?
2) Analise a dificuldade encontrada em esticar o cordão, com a massa
pendurada nele, até ele ficar reto, empregando o método do
paralelogramo para composição de forças.
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6 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS – PROCESSO ALGÉBRICO
(das projeções)
OBJETIVOS
• Determinar, experimentalmente, as resultantes de alguns sistemas de
forças constituídos por duas forças;
• Confrontar resultados obtidos experimentalmente, com resultados
calculados algebricamente, introduzindo o aluno neste processo de
determinação da resultante de um sistema de forças.
MATERIAL
Massas de 100 g
2 dinamômetros
Transferidor grande
Cordão com ± 1m
PROBLEMATIZAÇÃO
Fisicamente, qual a diferença ao deslocar uma caixa aplicando uma força
nas diferentes formas indicadas através dos desenhos abaixo?
F1
F3
F2
DESENVOLVIMENTO
Após breve discussão da questão acima com os
alunos fazer a análise de cada forma de deslocar a
mesa decompondo as forças em eixos ortogonais.
A) Simule as situações com os dinamômetros assim:
Segure um dos dinamômetros pelo tubo e
mantenha-o na vertical com 3 massas de 100 g
penduradas no seu gancho. Com o outro dinamômetro,
engatado no gancho do primeiro, desloque
ligeiramente as massas da sua posição puxando-o nas
direções de F1, F2 e F3 indicadas nos desenhos.
20
Faça laçadas nas extremidades do cordão e no meio dele. Pendure as
massas de 100g na alça do meio e prenda as outras alças no quadro de giz
com fita adesiva (ou em alguns preguinhos na margem do quadro). Trace os
eixos ortogonais com o centro no ponto de união das extensões do cordão.
Substitua cada extensão do cordão pelos dois dinamômetros, lendo neles
os valores das forças que eles indicam quando, um em cada eixo, mantém o
conjunto na posição inicial.
Depois analise o sistema algebricamente através das projeções
ortogonais das forças componentes do sistema.
QUESTÕES
1) Você observou que, na situação B, nós substituímos cada uma das forças
do sistema por duas outras?
2) Ao substituir uma força por duas componentes qual a condição para que
elas tenham:
a) o mesmo módulo?
b) a mesma direção?
COMPLEMENTOS
1) Considere um carrinho de chá, de 1000N de peso, sendo deslocado por
uma força de 100N aplicada conforme esquemas abaixo:
F
F
o
F
60
60o
Verifique, para cada situação representada, o valor da força que realmente
provoca o deslocamento do carrinho na horizontal e a força com a qual o
carrinho comprime o chão (despreze a força de atrito entre o carrinho e o
chão).
2)
30o
F
Trace eixos ortogonais e represente o
F2
sistema de forças mostrado ao lado e
determine os valores das projeções F1x e
F1y e o valor da força F1
P = 50 N
21
7 - DECOMPOSIÇÃO DO PESO NO PLANO INCLINADO
OBJETIVOS
• Mostrar a decomposição do peso em duas forças, uma paralela e a outra
normal a um plano inclinado;
• Estabelecer as equações que fornecem as componentes do peso no plano
inclinado paralela e normal a ele.
• Evidenciar aplicações do plano inclinado.
MATERIAL
Carrinho com massas
Pista para carrinho
Transferidor
Gominha
2 dinamômetros
PROBLEMATIZAÇÃO
Se a força peso atua sempre na direção vertical como explicar o fato de
objetos escorregarem rampa abaixo?
DESENVOLVIMENTO
A) Passe a alça do dinamômetro
pela alça da rampa e mantenha-o
paralelo a ela e engatado ao carrinho.
Leia os valores indicados no
dinamômetro enquanto você vai
inclinando a rampa, de 0º a 90º.
Discuta a questão da problematização com os alunos a partir do
que foi visto em A.
B) Passe agora uma gominha pelo meio do carrinho e prenda nela o outro
dinamômetro, que deverá ser mantido sempre normal ao plano da rampa.
Incline novamente a rampa, de 0º a 90º, enquanto vai lendo o valor da
força indicada no dinamômetro paralelo a ela e o valor da força no outro
dinamômetro quando puxado até o carrinho começar a afastar-se da
rampa (Use o suporte para manter a rampa na inclinação desejada ou
recorra a algum aluno para auxilia-lo). Faça as leituras nos dinamômetros
para a rampa inclinada de 60º e anote os valores.
22
QUESTÕES
1) Pede-se:
a) Comente as variações que ocorreram com Fp (força paralela ao plano) e
Fn (força normal ao plano) à medida que o ângulo (α) de inclinação da
rampa aumenta.
b) Quais são os valores limites de Fp e Fn e em que ângulos ocorrem?
2) Com base na demonstração:
a) Represente graficamente, no plano cartesiano, o peso, P, com suas
componentes Pp e Pn sobre um plano inclinado, com inclinação α.
(Lembre-se que, nos dinamômetros você leu os valores das forças
necessárias para equilibrar o peso, ou seja, para segurá-lo).
b) Faça a análise da situação correspondente a α = 60º com as leituras
anotadas.
COMPLEMENTOS
1) Quem faz a força quando uma pessoa sobe um andar de um prédio
através de:
a) uma rampa?
b) uma esteira rolante?
De que fatores depende essa força? Responda com base no que foi visto
neste experimento.
2) Fisicamente tem diferença entre você subir até o 1º nível de um edifício
através de uma escada ou de uma rampa? Explique.
23
8 - LEI DE HOOKE
OBJETIVOS
• Estabelecer uma relação entre a força aplicada sobre uma mola e a
deformação sofrida por ela;
• Mostrar graficamente o alongamento de uma mola em função da força
que a deforma;
• Verificar de que fatores depende a constante elástica de uma mola.
MATERIAL
1 pino de fixação
Mola espiral
Régua
Massas de 100 g
Suporte com fixador
PROBLEMATIZAÇÃO
Você certamente conhece aparelhos ou peças em aparelhos que
empregam molas no seu mecanismo de funcionamento. Como você
explica a propriedade elástica que as molas possuem?
DESENVOLVIMENTO
Discuta rapidamente com os alunos as respostas apresentadas por eles.
A seguir faça a montagem ilustrada e
execute o experimento com a participação dos
alunos. Prenda o suporte na lateral da mesa.
Encaixe nele o pino. Pendure a mola no pino.
Meça o comprimento da mola (distância entre
a primeira e a última espira livre), sem peso
algum sobre ela. Prossiga medindo o
comprimento da mola, a cada massa de 100g
que você for pendurando nela, e anotando os
valores obtido num quadro semelhante ao
seguinte, transcrito para os alunos:
24
No de
pesos
0
1
2
•
•
Força sobre a mola
Fn (N)
F0 = 0
F 1 = 1,0
F 2 = 2,0
•
•
Comprimento da
mola Xn (cm)
Deformação da mola
ΔXn = Xn - X0
X0 =
X1 =
X2 =
•
•
Xo = X 0 - X 0 = 0
X1 = X1-X0 =
X2 = X2-X0=
•
•
QUESTÕES
1) Com os dados do quadro, construa o gráfico F X ΔX.
F (N)
ΔX (mm)
Calcule a inclinação do gráfico (igual à Fn / ΔXn )
2) Divida o valor de cada força (F) aplicada sobre a mola pela deformação
ΔX que ela causou nesta. Qual é o valor (aproximado) que se pode
considerar constante para a razão acima entre Fn e ΔXn ? Qual é a sua
unidade?
3) Se tivéssemos usado uma mola mais dura, as deformações causadas
pelas forças F1, F2, etc., teriam sido as mesmas que você verificou neste
experimento? Explique.
4) Que alterações sofreria o gráfico F x ΔX se:
a) a mola fosse mais dura?
b) a mola fosse mais macia?
25
COMPLEMENTOS
1) Para qualquer mola que sofre deformações iguais quando puxada por
forças iguais, ou seja, em que a razão F/Δx é mantida constante (dentro de
certo intervalo), pode-se escrever a equação:
F = K ΔX, onde K é a constante, chamada constante elástica da mola.
Esta constante é característica da mola.
A equação acima é conhecida como LEI DE HOOKE.
Escreva a equação para a mola usada e cheque o valor da força capaz de
lhe causar deformações de:
a) 2 cm;
b) 5 cm.
2) Como é o gráfico F x ΔX, para uma mola que obedece a lei de Hooke? A
que corresponde sua inclinação (Compare F/ΔX com F = KΔX).
3) A mola usada neste experimento segue com boa aproximação a lei de
Hooke?
4) Descreva como você poderá verificar se a dureza de uma mola varia:
a) com seu comprimento;
b) com o diâmetro das espiras;
c) com o material empregado no fio.
5) O que acontece a uma mola se ela for esticada cada vez mais com maior
força? Esboce o gráfico da força em função da deformação para este caso.
26
9 - CARACTERÍSTICAS DE UM MOVIMENTO
OBJETIVO
• Distinguir e conceituar os diversos fatores característicos de um
movimento.
MATERIAL
Folha de cartolina
Régua
Carrinho com marcador de tempo
Cordão
PROBLEMATIZAÇÃO
Quais os fatores que nos permitem distinguir um movimento de outros?
DESENVOLVIMENTO
Discuta inicialmente com os alunos as respostas apresentadas por eles.
Para prosseguir, o professor
poderá utilizar uma cartolina preza
no quadro de giz ou distribuir
folhas com reprodução (por
fotocópia, perfuração com objeto
pontiagudo, etc.), para os alunos,
do movimento sugerido a seguir.
Mova o carrinho com a mão sobre
a folha, descrevendo uma curva
semelhante à da ilustração, de
forma que marque traços sobre ela.
Associe uma letra na ordem do alfabeto, a cada 5 (ou 10) marcas
deixadas pelo carrinho. Trace retas unindo A com B, B com C, etc. Trace
também a linha seguida pelo carrinho (lembre-se que ele seguiu uma curva).
QUESTÕES
1) A curva que você traçou corresponde ao caminho seguido pelo carrinho e
é chamada de trajetória do movimento.
a)Em quais intervalos a trajetória do movimento coincide com a
poligonal que une os pontos A, B, C, etc.?
27
b) Há coincidência quando a trajetória é retilínea, ou seja, o móvel segue
uma só direção (movimenta sobre uma reta)? E quando a trajetória é
curvilínea (movimento descreve uma curva) há também coincidência
entre ela e a poligonal?
c) O comprimento da trajetória entre um traço e outro corresponde ao
espaço percorrido pelo carrinho no intervalo de tempo decorrido entre as
duas marcas consideradas e o segmento de reta entre elas corresponde ao
deslocamento ocorrido com o carrinho neste mesmo intervalo de tempo.
Use o cordão e a régua e meça os espaços e os deslocamentos entre cada
intervalo, anotando-os respectivamente sobre as linhas traçadas.
(Sugestão: cubra a trajetória com o cordão e marque nele as posições dos
traços deixados pelo carrinho, depois meça as distâncias entre as marcas
que você fez sobre o cordão mantendo-o esticado).
2) Verifique em quais intervalos o carrinho passou com:
a) menor velocidade;
b) maior velocidade; c) teve velocidades iguais.
3) Quando a velocidade aumenta com o tempo, dizemos que há aceleração
positiva e quando a velocidade diminui com o tempo decorrido nesta
variação a aceleração é negativa
( aceleração =
Δvelocidade
).
Δtempo
Quando o movimento é curvilíneo, mesmo que sua velocidade não mude
de valor, ele estará mudando de direção, logo o movimento terá
aceleração, chamada de aceleração centrípeta. Verifique, no movimento
em estudo, que tipo de aceleração ocorreu de um intervalo para outro.
4) Chamamos de sentido horário aquele seguido pelos ponteiros de um
relógio e, ao outro, de sentido anti-horário. Qual foi o sentido seguido por
você ao mover o carrinho (este será o sentido do movimento)?
5) Apresente as diferenças entre:
a) Movimento retilíneo e movimento curvilíneo;
b) Deslocamento e espaço percorrido por um móvel;
c) Velocidade e aceleração;
d) Aceleração positiva, negativa e centrípeta;
e) Sentido horário e anti-horário;
f) Direção e sentido do movimento.
g) Para quais intervalos a trajetória do movimento coincide com a
poligonal?
28
10 - MOVIMENTO RETILÍNEO (MRU E MRUA)
OBJETIVOS
• Analisar movimentos retilíneos;
• Construir gráficos: v x t, d x t e a x t a partir de dados experimentais .
MATERIAL
Régua
Folhas de papel ofício
Pista para carrinho
Carrinho com massas e marcador de tempo
PROBLEMATIZAÇÃO
Como estarão distribuídas as marcas deixadas pelo carrinho em cada uma
das seguintes situações:
a) o carrinho passa sobre a folha após ser disparado pela mola da pista ou ser
lançado com a mão;
b) o carrinho posto sobre a folha em cima da pista inclinada e solto a seguir.
DESENVOLVIMENTO
Executar as situações acima após os alunos apresentarem suas
previsões e fazer comentários sobre as diferenças entre as duas marcações
(se necessário reforce as marcas com uma caneta).
Repita as situações a e b, fazendo as
marcações nas margens esquerdas das
folhas para serem distribuídas para os
alunos (se achar mais conveniente traga
as folhas já marcadas ou fotocópias de
uma previamente marcada).
Obs.: Para obter MRU pode também
soltar o carrinho sobre a pista inclinada
e deixá-lo passar sobre a folha, colocada
sobre a mesa no final da pista.
Oriente os alunos para traçarem os eixos: deslocamento (d), passando
pelas marcas à esquerda da folha, e do tempo (t) na primeira marca, deixada
pelo carrinho, ao pé da página. Como o intervalo de tempo entre duas marcas
consecutivas é sempre constante e vale 0,03 seg (para pilhas novas) sugira
aos alunos que dividam o eixo (t) em intervalos iguais, por exemplo: 1 em
1cm.
29
Para facilitar, considere o tempo real, 0,03seg, entre duas marcações
consecutivas como sendo de 1u (uma unidade de tempo).
Peça então, para os alunos construírem os gráficos d x t para os dois
movimentos.
QUESTÕES
1) Compare os gráficos d x t dos dois movimentos e comente as diferenças
entre eles, procurando justificá-las.
2) O que se pode dizer sobre os valores das grandezas abaixo (para os dois
movimentos) no decorrer dos intervalos sucessivos de tempo entre as
marcas deixadas pelo carrinho:
a) e (espaço percorrido)?
b) vm (velocidade média)?
c) a (aceleração)?
3) Como pode ser classificado cada um dos movimentos por você
observados? Explique.
4) Marque, nas trajetórias obtidas, os pontos médios de cada intervalo entre
duas marcas consecutivas e anote aí os valores das velocidades com as
quais o carrinho passou por eles.
30
11 - MOVIMENTO CIRCULAR – MODELO PARA
SISTEMA SOLAR
OBJETIVOS
• Explicitar características do movimento circular,
• Analisar as inter-relações das grandezas características do movimento
circular uniforme,
• Empregar um modelo na interpretação física do sistema solar.
MATERIAL
Relógio que marque segundos
Tubo de 1/4” ∅ com 40 cm
1 esfera de plástico
Cordão com ± 1 m
Régua
Massas de 100 g
PROBLEMATIZAÇÃO
Use a montagem abaixo e, segurando o conjunto apenas pelo tubo, faça a
bolinha puxar a massa de chumbo para cima (só pode tocar no tubo!).
DESENVOLVIMENTO
Se após algumas tentativas os alunos não conseguirem solucionar o
desafio, sugira que girem a bolinha segurando o tubo.
Para montar o aparelho, passe o cordão pelo tubo e amarre com segurança
a bolinha em uma das extremidades e a massa de chumbo na outra. Execute
as situações abaixo:
A. Segurando o tubo na vertical faça a esfera girar
de forma a descrever um plano horizontal.
Aumente a força que puxa a esfera para o centro
acrescentando outra massa à anterior.
B. Experimente girar a esfera com velocidades
diferentes e observe o que ocorre com o raio da
circunferência que ela descreve.
C. Deixe apenas uma das massas penduradas e gire
a esfera com um raio de ±50cm, procurando
mantê-la com velocidade constante e sem oscilar
muito o tubo. Após treinar um pouco conte o
número de voltas que ela dará em 20 segundos.
Marque o cordão rente ao tubo.
31
QUESTÕES
1) Imagine que o cordão partisse em uma das situações exploradas e diga o
que aconteceria:
a) com a esfera;
b) com a massa pendurada;
c) Faça um desenho mostrando como a esfera e a massa deixariam o
sistema.
2) Que correspondências você observou entre o raio da circunferência (R), a
velocidade da esfera (V) e a força que puxa para o centro, força centrípeta
(Fc), quando:
a) Fc constante e V aumentando;
b) V constante e Fc aumentando;
c) R constante e Fc aumentando;
d) V = 0.
Se necessário verifique experimentalmente de novo cada situação acima.
1) Considere a situação realizada em C. Meça com cuidado o raio da
trajetória do movimento (descrita pelo centro da esfera) durante os 20
segundos considerados. Determine:
a) a freqüência do movimento (f – nº de voltas na unidade de tempo)
b) período do movimento (T – tempo decorrido em uma volta completa,
ou: T =
1
)
f
c) velocidade angular do movimento (W – ângulo descrito, em radiano,
dividido pelo tempo decorrido para descrevê-lo, ou W = 2πf =
2πR
= WR )
T
V2
=W 2R )
e) aceleração centrípeta do movimento ( ac =
R
2π
)
T
d) velocidade tangencial do movimento (V =
f) força centrípeta do movimento (Fc = m. ac, onde m é a massa da
esfera). Compare este valor calculado com o valor do peso da massa
pendurada, que exercia a força centrípeta na esfera através do cordão.
Comente quais são os fatores responsáveis por possíveis discrepâncias.
32
COMPLEMENTOS
1) Para a esfera manter o peso suspenso é necessário que ela faça força
radialmente para fora em todos os pontos de sua trajetória. Como você
explica o aparecimento desta força? Para a esfera parada existe esta
força? Qual é a tendência da esfera em movimento? Quem não deixa a
esfera seguir sua tendência natural?
Experimente empregar o princípio de inércia para explicar a questão
acima colocada.
2) Use as situações exploradas neste experimento como modelo para
explicar o sistema solar. Neste caso quem representa:
a) o planeta?
b) o sol?
c) a força gravitacional?
3) No sistema solar a força gravitacional entre o sol e os planetas varia com
o inverso do quadrado da distância entre os centros deles e com o produto
de suas massas ( F = K
MsMp
).
d2
Analise as posições dos planetas em torno do sol em função de suas
massas e seus períodos de revolução considerando suas observações
experimentais e a equação acima.
33
12 - DETERMINAÇÃO DA ACELERAÇÃO
GRAVITACIONAL LOCAL
OBJETIVOS
• Aplicar os conhecimentos sobre pêndulo na determinação do g local;
• Comparar e comentar resultados experimentais.
MATERIAL
Relógio que marque segundos
Suporte com grampo fixador
Régua
1 pino de fixação
Cordão com ± 1 m
1 massa de 100g
PROBLEMATIZAÇÃO
O quadro seguinte foi preenchido considerando um corpo caindo em
queda livre (sem resistência do ar) após ser abandonado do repouso em um
local cujo valor de g é de 9,81m/s2 (seu valor médio aqui na Terra).
Tempo de
queda em seg
0
1
2
3
4
Velocidade
Em m/s
Em km/h
0
0
9,81
~ 35
19,62
~ 71
29,43
~ 106
39,24
~ 141
Em m
0
4,90
19,62
44,14
78,48
Altura da queda
Correspondência aprox.
Edifício de 6 andares
Edifício de 15 andares
Edifício de 26 andares
Como verificar experimentalmente o valor de g uma vez que, em cada
segundo da queda de um corpo, sua velocidade, a distância que ele percorre
e a resistência do ar sobre ele crescem rapidamente?
DESENVOLVIMENTO
Após discutir a questão acima com os alunos
apresente o recurso que será empregado e que
elimina as dificuldades questionadas.
Monte um pêndulo com ± 1m de comprimento e
coloque-o a oscilar com amplitude de ±10 cm e
marque o tempo necessário para ele completar 50 ou
mais oscilações. Repita umas três vezes e tire a
média do tempo necessário para dar o número de
oscilações que você considerou.
34
Meça, com máximo rigor, o comprimento do pêndulo, ou seja, a distância
que vai do eixo ao centro da massa de 100 g preso à extremidade inferior do
cordão.
QUESTÕES
1) Determine o período de oscilação do pêndulo montado, usando o tempo
medido para ele dar o número de oscilações completas que você
considerou.
2) Recorrendo à equação do período do pêndulo simples(pêndulos do tipo
desse que foi montado neste experimento):
T = 2π
λ
, determine o valor de g (que será a aceleração da gravidade
g
do local em que você realizou o experimento) a partir dos valores de T e
λ encontrados acima.
Pondo g em evidência, temos:
g = 4 Π 2 λ / T2
3) Compare o valor encontrado acima com o valor médio de g (9,81 m/s2),
normalmente utilizado. Verifique se os valores encontrados pelos outros
colegas conferem com o seu.
4) Que fatores são responsáveis por possíveis diferenças nos resultados
encontrados, por você e seus colegas, para este experimento?
COMPLEMENTOS
1) Procure informar-se, através de uma pesquisa, porque a aceleração
gravitacional sofre alterações com a altitude e com a latitude.
2) Veja, no quadro da problematização, que um corpo em queda livre tem
sua velocidade aumentada de 0 Km/h para 100 Km/h em menos de 3
segundos. Quanto tempo um carro necessita para fazer o mesmo?
35
13 – SIMULANDO AUMENTO DA ACELERAÇÃO
GRAVITACIONAL
OBJETIVOS
• Mostrar que o período do pêndulo simples depende da força com o qual a
massa é atraída;
• Simular o deslocamento de um pêndulo simples daqui da Terra para outro
astro com maior força de atração gravitacional.
MATERIAL
Cordão com ± 1 m
Suporte com grampo fixador
Relógio grande (de parede) que marque segundos
1 pino de fixação
Fita adesiva
2 imãs
PROBLEMATIZAÇÃO
Corpos idênticos, abandonados de alturas iguais e simultaneamente,
em astros celestes diferentes (Sol, Lua, Júpiter, etc.) chegariam juntos
ao chão?
DESENVOLVIMENTO
Após uma discussão prévia com os alunos sobre a questão
problematizadora, destacando influência da massa do astro e presença ou não
de atmosfera, passe para o experimento proposto a seguir.
Construa um pêndulo simples pendurando um
dos imãs no cordão, preso ao pino no suporte.
Cuide para que o imã fique na direção vertical,
longitudinalmente com o cordão e a ± 3 cm do
chão.
A) Coloque o pêndulo a oscilar com amplitude
de ± 5 cm e marque o tempo para ele dar 30
oscilações completas. Anote o resultado.
B) Fixe agora o outro imã no chão de forma que
o pêndulo, em repouso, fique bem no meio
dele. Repita o procedimento A. Antes de
iniciar o experimento peça que os alunos
façam suas previsões.
36
QUESTÕES
1) Determine o período do pêndulo com os dados obtidos nas duas
situações, A e B. Compare os dois valores.
2) Determine o valor de g para as duas situações, A e B, empregando a
equação do período, do pêndulo simples: T = 2π
λ
g
Compare
os dois valores.
COMPLEMENTOS
1) Suponha que dois “relógios de pêndulo”, aferidos aqui na Terra, fossem
enviados um para a Lua e o outro para Júpiter.
a) Como seria a marcação do tempo por eles em relação a um terceiro
que tivesse ficado aqui na Terra?
b) Que alterações cada um deveria sofrer para voltar a marcar tempo
sincronizado com o daqui da Terra?
2) Discuta novamente a questão problematizadora.
37
14 - QUEDA DOS CORPOS (I)
OBJETIVOS
• Demonstrar que o ar atmosférico interfere na queda dos corpos,
impedindo que estes caiam juntos, quando abandonados simultaneamente
• Estabelecer equações do movimento de queda livre.
MATERIAL
Esfera de aço
2 esferas de plástico
1 folha de papel
PROBLEMATIZAÇÃO
Quando é que dois corpos de massas diferentes abandonados
simultaneamente de uma mesma altura e próximos à superfície da Terra
chegarão juntos ao chão?
DESENVOLVIMENTO
Após discutir a questão
acima com os alunos passe para
a verificação experimental.
Em todas as situações abaixo
você deverá soltar os corpos da
mesma altura e ao mesmo
tempo.
A) Solte duas esferas no ar
sendo: primeiramente as
duas de plástico e depois
uma de aço e a outra de
plástico.
Obs: abaixar a mão rapidamente
B) Solte duas esferas, colocando uma por cima da folha e no centro dela. (Dê
ligeiras dobradas na folha para que a esfera não role para fora dela).
C) Faça com a folha uma bolinha e solte esta juntamente com uma esfera.
38
QUESTÕES
1) Explique os resultados observados nos itens A, B e C.
2) Comente e justifique, com base nas suas observações sobre o experimento
realizado, a seguinte afirmação: “Quando dois corpos são abandonados
simultaneamente, de uma mesma altura, o mais pesado cai primeiro”.
3) Como seria a queda dos corpos, nas situações A, B e C, num local onde
não houvesse ar? Não havendo ar, poderia uma folha de papel aberta cair
na vertical? Explique.
COMPLEMENTOS
1) Para corpos mais densos, caindo de pequenas alturas e com pequenas
áreas de contato com o ar, podemos desprezar a resistência do ar sobre
eles ao longo de sua queda. Mostre que neste caso as equações para seu
movimento (queda livre) serão:
b) V = gΔt
a) h = gΔt2 / 2
c) V = 2 gh , que é obtida a partir das equações dos itens a e b.
2) Na Lua não existe atmosfera então se estas experiências, A, B e C, fossem
realizadas lá haveria alguma diferença em relação ao que você observou?
Comente.
39
15 - QUEDA DOS CORPOS (II)
OBJETIVOS
• Demonstrar que o tempo de queda de um objeto independe dele estar ou
não em movimento na direção horizontal;
• Demonstrar que a queda de um objeto independe de sua massa.
MATERIAL
1 esfera de plástico e uma de aço
Suporte com grampo fixador
Gominha
Feltro
Régua
2 roldanas de 3cm ∅
2 pinos de fixação
Calha de PVC
PROBLEMATIZAÇÃO
1) Na situação A, que será realizada, a esfera de plástico caíra antes, depois
ou em cima da esfera de aço?
2) Na situação B, as duas roldanas serão lançadas simultaneamente na
direção horizontal com velocidades diferentes. Chegarão juntas ao chão?
DESENVOLVIMENTO
Antes de realizar o experimento
comente como ele será feito e peça que
os alunos façam suas previsões.
A) Use o parafuso para fixar a calha no suporte após prendê-lo na lateral da
mesa. Solte a esfera de aço do ponto mais alto da calha e coloque o feltro
no chão para que ela caia sobre ele. Deixe a esfera na marca que ela
deixar sobre o feltro e solte a esfera de plástico da mesma forma e
posição em que a primeira foi abandonada. Observe o que acontece.
40
B) Use um pino para prender a régua e outro para segurar uma gominha
laçada à régua, conforme a ilustração. Puxe a régua, esticando a gominha.
Coloque as roldanas sobre o suporte preso na beirada da mesa de forma
que elas sejam lançadas pela régua, quando esta for solta. Posicione as
roldanas de forma que uma seja lançada bem longe e a outra praticamente
na vertical. Observe a queda das peças lançadas simultaneamente e com
velocidades horizontais diferentes.
QUESTÕES
1) Faça um comentário sobre cada afirmação abaixo argumentando com base
no que você observou neste experimento:
a) Desprezando-se a resistência do ar (queda livre), dois corpos
abandonados simultaneamente caem com uma mesma aceleração;
b) A velocidade horizontal de um projétil não interfere no seu movimento
de queda;
c) A massa de um projétil não interfere no seu movimento quando a
resistência do ar pode ser desprezada;
a) Se neste experimento que você realizou, os corpos caíssem de uma
grande altura os resultados seriam, possivelmente, diferentes.
2) Como você explica o que ocorreu nas duas situações A e B?
COMPLEMENTOS
1) Considerando que as esferas deixaram a rampa com velocidade horizontal
(Vh) dada por: V = d/Δt e chegaram ao solo com velocidade vertical
(Vv) dada por:
V = gΔt ( visto que elas só começam a cair quando deixam a rampa),
determine seus valores para uma altura de 1m . Despreze a resistência do
ar.
Lembre-se que h = g Δt2/ 2 , já que Vo = 0 , para o movimento vertical.
2) Como ficaria alterado o resultado do experimento se você:
a) soltasse as esferas de uma calha mais alta?
b) se uma das esferas fosse de isopor?
41
16 - FORÇA DE ATRITO DE ARRASTAMENTO
OBJETIVOS
• Determinar a equação da força de atrito;
• Avaliar a diferença entre as forças de atrito estático e atrito cinético;
• Determinar o coeficiente de atrito entre duas superfícies.
MATERIAL
Massas de 100g
Bloco de madeira com gancho e furos
Dinamômetro
PROBLEMATIZAÇÃO
Quais fatores são responsáveis pela diferença entre duas superfícies?
Quais deles interferem na força de atrito?
DESENVOLVIMENTO
Após uma rápida discussão sobre as questões acima passe para os
procedimentos seguintes:
A) Puxe, lentamente, o bloco com o
dinamômetro mantido paralelo à mesa e
na direção do movimento. Leia com
precisão a força máxima que se pode
fazer sem começar a mover o bloco
(força de atrito estático máxima, Femax)
e depois a força que o mantém em
movimento constante (força de atrito
cinético, Fc).
Repita algumas vezes essas operações para certificar-se da precisão de suas
leituras. Suspenda o bloco com o dinamômetro e meça seu peso. Este é o
valor da força com a qual o bloco comprimia a mesa (força normal, Fn ).
B) Meça novamente os valores das forças Femax, Fc e N, colocando sobre
o bloco as 4 massas. Anote os valores encontrados para Femax, Fc e N
nas duas situações acima, em um quadro semelhante ao que se segue,
reproduzido para os alunos.
42
Força do
bloco sobre
a mesa N
Força máx. de
atrito estático
Femax
Força de atrito
cinético
Fc
Femax / N
Fc / N
sem as
massas
com 4
massas
QUESTÕES
1) Você deverá ter observado que o valor da força de atrito estático varia
desde zero até um valor máximo, Fe max, enquanto o corpo resiste sem se
mover. Assim que o corpo começa a se mover, você deverá ter observado
que podemos continuar a arrastá-lo, com velocidade constante, por uma
força um pouco menor, Fc, que é a força de atrito cinético.
O que acontece com as forças de atrito estático (Fe max) e cinético (Fc) à
medida que a força de compressão entre as duas superfícies (N) aumenta?
2) Calcule as razões Fe Max / N e Fc / N para cada situação realizada e
verifique se podemos escrever as equações:
onde με é constante (coeficiente de atrito estático).
Fe max = με N,
onde μc é constante (coeficiente de atrito cinético).
Fc = μ c N,
3) Qual a direção e o sentido da força de atrito?
4) Defina Fe max , Fc e Fe .
COMPLEMENTOS
1) Os valores de μe e μc que você encontrou acima referem-se a quais
superfícies em contato? O que se pode deduzir sobre os valores de μe e
μc se as duas superfícies de contato fossem:
a) mais ásperas?
b) mais lisas?
Sugestão: Repita o experimento, colocando o conjunto sobre a superfície
de outra natureza (feltro, vidro, papel, lixa, etc.).
2) Qual sua previsão para a situação A se o bloco for puxado quando
apoiado sobre a face mais estreita? Verifique experimentalmente.
43
17 - FORÇA DE ATRITO DE ROLAMENTO
OBJETIVOS
• Mostrar as diferenças entre força de atrito de rolamento e de arrastamento
• Apresentar técnicas de redução do atrito entre duas superfícies.
MATERIAL
Grampo de fixação
Carrinho com massas
1 roldana e 1 pino de fixação
Béquer com alça
2 eixos de 1/8”∅
Cordão com ± 50cm
Massas de 100g
Bloco de madeira com gancho e furos
PROBLEMATIZAÇÃO
Fixe o grampo na lateral da mesa, próximo a uma ponta. Encaixe nele o
pino com a roldana. Amarre o cordão ao gancho do bloco e à alça do bequer.
Passe o cordão pela roldana, mantendo o bequer pendurado. O bloco será
colocado sobre os dois eixos posicionados da seguinte forma:
a) os dois eixos longitudinalmente ao bloco;
b) os dois eixos transversalmente ao bloco.
No bequer deverão ser colocadas massas do carrinho (arruelas ou água)
até que o bloco adquira movimento constante, nas situações a e b quais serão
as diferenças nas duas situações e por quê?
DESENVOLVIMENTO
A) Após as previsões dos alunos execute as duas situações e comente os
resultados. Encaixe agora o pino do carrinho (sem suas massas) no furo
central do bloco e alinhe os dois longitudinalmente.
Puxe lentamente o conjunto através do
dinamômetro. Faça a leitura da maior força
que se pode fazer sem que este comece a
mover (Fe max).
44
B) Coloque as 4 massas sobre o bloco e meça as forças Fe max e Fc (Força
de atrito cinético, força que mantém o conjunto com velocidade constante).
C) Repita as situações anteriores com o conjunto virado.
Anote os valores obtidos num quadro, semelhante ao que se segue
(reproduzido para os alunos):
Conjunto
sobre carrinho
sobre bloco
Força máxima de atrito
estático (Fe max)
Força de atrito
cinético (Fc)
sem massas
com massas
sem massas
com massas
QUESTÕES
1) Compare os valores de Fe max e Fc, no quadro acima para os casos de
rolamento e de arrastamento. Quais pares são maiores?
2) Qual a direção e o sentido da força de atrito?
3) Dê uma definição para força de atrito:
a) de arrastamento;
b) de rolamento.
COMPLEMENTOS
1) Tente apontar quais as vantagens de se usar rolamentos para se fixar os
eixos rotativos das máquinas, ao invés de mancais?
2) Verifique a importância do uso de carretilhas em: cortinas, varais
elevadiços, portões deslizantes, etc.
45
18 - DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO ENTRE
DUAS SUPERFÍCIES ATRAVÉS DO
PLANO INCLINADO
OBJETIVOS
• Determinar o coeficiente de atrito de arrastamento entre duas superfícies;
• Analisar teoricamente o processo utilizado.
MATERIAL
Bloco de madeira
Roldana de 6cm ∅
Barra de Al com gancho
Suporte com grampo fixador
Feltro
Pista do carrinho
2 pinos de 1/8”∅
Transferidor
PROBLEMATIZAÇÃO
Considere um bloco de madeira deslizando com movimento constante,
livremente, sobre uma rampa. O que ocorrerá com o movimento do bloco se
aumentarmos sua massa?
DESENVOLVIMENTO
Faça a montagem como ilustrada abaixo e ajuste a inclinação da rampa
para que o bloco deslize sobre ela com movimento constante. Questione,
então, como será o movimento do bloco com as massas sobre ele. Verifique
experimentalmente as previsões apresentadas pelos alunos. Passe agora para
as verificações seguintes:
Limpe bem as superfícies da
rampa e dos objetos a serem
colocados sobre ela.
Vá levantando a rampaa
lentamente e anote o ângulo para o
qual o objeto colocado sobre ela
desloca com velocidade constante,
após ligeiro empurrão.
Repita algumas vezes, anotando sempre o ângulo acima mencionado e
complete o quadro abaixo:
46
Ângulo de inclinação θ
Objetos sobre o
* Superfícies de
1o 2o
3o
4o
∗∗ θ
plano
contato
Bloco de madeira
Barra de Al
Roldana
Bloco sobre feltro
* Quais os materiais que estão em contato, por exemplo: madeira com Al.
** Valor médio do ângulo θ.
tg. θ
QUESTÕES
1) Você sabe que o peso de um objeto colocado sobre um plano inclinado
fica decomposto em duas forças: uma normal (Pn) ao plano e a outra
paralela (Pp) a ele. Até que o objeto comece a se deslocar sobre o plano,
quem o segura é a força de atrito (fa) , portanto:
Lembre-se que
fa = μ N
Pp = - fa
Para uma certa inclinação (θ) do plano a força Pp se iguala com a força
máxima de atrito (Fe max) e a partir daí o corpo, colocado em movimento,
começa a descer em movimento acelerado, já que a força de atrito
cinético é menor que a força de atrito estático máxima, logo Pp > Fc , o
que implica numa força resultante paralela ao plano e que puxa o objeto
para baixo.
Rp = Pp – Fc
Considerando o diagrama da situação física, no momento que o corpo
começa a se deslocar, temos:
N
fa
Tg θ = Pp / N
Pp
θ
θ
P
Pn
ou seja, podemos determinar o coeficiente de atrito estático entre as
superfícies do plano e do objeto através da tangente trigonométrica do
ângulo que corresponde à força máxima de atrito estático.
No experimento realizado foi considerada a força de atrito cinético (Fc)
onde Pp = - Fc visto que para movimento constante implica R = 0
47
Determine os coeficientes de atrito para os pares de superfícies
considerados neste experimento e verifique quais eram de fato as
superfícies em contato.
2) De que fator depende o coeficiente de atrito de arrastamento? Quais os
fatores que mais causam erro na sua determinação?
COMPLEMENTOS
1) Verifique teoricamente e na prática se o coeficiente de atrito entre duas
superfícies depende do peso do corpo que se desloca sobre o plano
inclinado.
(Sugestão: repita a experiência colocando um objeto sobre o outro).
2) Consulte uma tabela de coeficiente de atrito e tente explicar o porquê da
diferença tão acentuada entre os coeficientes de atrito estático e cinético
para o vidro.
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19 - REDUÇÃO DO ATRITO
OBJETIVOS
• Apresentar recursos técnicos para reduzir o atrito entre duas superfícies
• Fornecer modelo concreto para idealizar o movimento sem atrito.
MATERIAL
Imãs
Balão de borracha
Gominha
Esfera de aço
Roldana com 6cm ∅ e eixo tubular
PROBLEMATIZAÇÃO
Para eliminar a força de atrito entre duas superfícies que deslocam uma
sobre a outra é necessário eliminar o contato entre elas. Como fazer isso?
DESENVOLVIMENTO
Após breve discussão da questão
acima, coloque os imãs sobre um livro
com pólos iguais voltados um para o
outro e vá inclinando o livro enquanto
segura o imã de baixo, mantendo o de
cima suspenso pelo campo magnético.
É bom lembrar aplicações práticas desta
situação, como, por exemplo, a
sustentação do “trem bala” que se move
sem contato com os trilhos.
Monte o “carrinho de ar” conforme a
ilustração e a descrição seguinte:
Introduza o tubo pelo bico do balão
deixando ±1,5 cm para fora. Prenda os
dois com a gominha. Encha o balão e
encaixe a seguir a ponta do tubo no furo do
disco.
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Ponha o conjunto sobre uma superfície lisa (fórmica, vidro, etc.) e dê um
toque no disco. Experimente deslocá-lo com movimentos rápidos e lentos.
Coloque sobre a superfície lisa o “carrinho de ar” e a esfera e verifique
qual deles acusa menor inclinação nesta superfície.
QUESTÕES
1) Por onde escapa o ar contido no balão quando o disco está apoiado sobre
uma superfície plana e lisa?
2) Com base na resposta dada à questão anterior, tente explicar por que
ocorre uma redução no atrito entre as superfícies do disco e da mesa
enquanto o ar está escapando do balão.
3) Você deverá ter observado que o conjunto encontra dificuldade em se
deslocar com movimentos mais rápidos, principalmente quando o balão
está cheio. Caso não tenha observado este fato, refaça o experimento e
observe. Depois, procure explicá-lo.
4) Qual dos corpos se desloca com menos atrito sobre a superfície: a esfera
ou o carrinho?
COMPLEMENTOS
1) Se você tivesse um suprimento constante de ar no balão e uma superfície
infinita, o que aconteceria com o sistema uma vez posto em movimento?
2) Se você lançasse um bloco de madeira e uma esfera de aço polido sobre
uma pista de aço polido, plana e na horizontal eles parariam depois de
algum tempo. Qual deles iria parar primeiro? Por que? O movimento
deles sofreria alguma alteração se não houvesse força de atrito entre os
dois corpos e a pista? Explique.
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20 – PRINCÍPIO DE INÉRCIA
OBJETIVOS
• Demonstrar o princípio de inércia;
• Associar fatos da vida diária com o princípio de inércia.
MATERIAL
Massas de 100g
Bloco de madeira
Suporte com fixador
Calha de PVC com parafuso
Esfera de aço
Dinamômetro
Cordão com ± 50cm
PROBLEMATIZAÇÃO
Como fazer uma esfera reproduzir o movimento de um pêndulo sem estar
suspensa por um fio?
DESENVOLVIMENTO
Após as sugestões dos alunos faça a montagem ilustrada abaixo.
A) Coloque a esfera para oscilar sobre a
calha curvada. Destaque o fato da esfera
tender a subir na outra rampa da calha
até a mesma altura da qual foi
abandonada.
Comente a experiência idealizada por
Galileu para introduzir o princípio de
inércia.
B) Mostre também que a inércia de um corpo depende da sua massa e da
rapidez com a qual alteramos o estado de repouso ou de movimento do
corpo. Para isso amarre as extremidades do cordão nos ganchos do bloco e
do dinamômetro. Puxe o bloco devagar e depois rapidamente através do
dinamômetro.
C) Repita essas situações após
colocar as massas sobre o bloco,
nos seus furos.
51
QUESTÕES
1) Como você explica os fenômenos observados nos experimentos
realizados?
2) À tendência dos corpos de conservar seu estado de repouso ou de
movimento dá-se o nome de inércia. Explique suas observações
referentes as três situações, A, B e C, realizadas valendo-se do conceito
de inércia.
3) Considere a situação A e responda:
a) O que aconteceria com a esfera se entre ela e a calha não houvesse
força de atrito e nem a resistência do ar?
b) como seria o movimento da esfera, se não houvesse atrito e as duas
rampas da calha estivessem infinitamente afastadas?
COMPLEMENTO
Usando o princípio de inércia, explique:
a) Por que ao rebocar um carro com uma corda, esta se partirá quando
puxada bruscamente? (Experimente amarrar um barbante nos pés de uma
mesa e puxá-lo devagar e depois bruscamente).
b) Por que quando se freia um carro embalado, ele continua derrapando e
não para de imediato?
c) Por que o movimento de um carro numa estrada plana, reta e sem
inclinação não continua constante se o motor é desligado?
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21 – PRIMEIRA LEI DE NEWTON
OBJETIVOS
• Evidenciar a 1a lei de Newton;
• Empregar a 1a lei de Newton para explicar fenômenos do nosso cotidiano.
MATERIAL
Pista para carrinho
Carrinho com massas
Suporte com fixador
4 roldanas e 2 eixos de 1/8” ∅
2 massas de 100g
Cordão com ± 1m
Régua
PROBLEMATIZAÇÃO
Empilhar as roldanas e remover a de baixo sem tocar nas demais, usando
a régua.
DESENVOLVIMENTO
Se após algumas tentativas os alunos não lograrem êxito, sugira dar um
toque ligeiro (sem muita força) na roldana de baixo com a régua apoiada
sobre a mesa.
Lance depois o conjunto de roldanas empilhadas contra a régua apoiada
firmemente sobre a mesa. Discuta com os alunos estas duas situações,
destacando o fato de uma força estar alterando o estado de repouso e depois
o estado de movimento da roldana de baixo.
Explore agora as duas situações seguintes
A) Use os eixos colocados sob a
pista do carrinho para deixa-la
móvel (pode também colocá-la
sobre dois lápis). Coloque o
carrinho sobre ela e marque a
posição dele com uma das massas
(ou outro objeto qualquer)
colocada ao lado da pista.
Puxe rapidamente a pista e observe o que ocorre com o carrinho.
Apóie o carrinho na alça da pista, empurre o conjunto e depois segure
somente a pista (frear a pista).
53
B) Fixe o suporte na beira da mesa e
encaixe no furo mais alto dele um eixo
com uma roldana. Passe pela roldana o
cordão com massas penduradas nas suas
extremidades. Mostre inicialmente que o
conjunto permanece em equilíbrio
indiferentemente das massas estarem ou
não na mesma altura. Posicione uma
das massas próxima à roldana e dê um
puxão nela para baixo.
QUESTÕES
1) O que você observou em cada situação?
2) Explique cada uma de suas observações empregando a 1a lei de Newton:
“se R = 0 implica objeto em repouso ou MRU”
COMPLEMENTO
Explique, com base na 1a lei de Newton:
a) Um cão molhado remove água de seu pelo sacudindo o corpo;
b) O movimento de um carro numa estrada plana, reta e sem inclinação não
continua constante se o motor dele é desligado;
c) Quando é que um passageiro, em pé, em um ônibus é lançado para
frente? Lançado para trás? Lançado para os lados?
54
22 - 2a LEI DE NEWTON:
F= ma
OBJETIVOS
• Evidenciar a relação existente entre força, massa e aceleração;
• Usar a 2a Lei de Newton para analisar algumas questões propostas.
MATERIAL
Pista para carrinho
Carrinho com massas
Dinamômetro
Roldana com alça
Régua
Cordão com ± 1m
Obs.: Usar pilha nova no carinho para obter 33 marcas por segundo.
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer previsões sobre a distribuição das marcas que serão deixadas pelo
marcador de tempo do carrinho em cada situação abaixo.
DESENVOLVIMENTO
Coloque a pista na beira da mesa de forma
que o cordão, amarrado ao carrinho, fique na
vertical após passar pela roldana fixada na alça
dela. Coloque uma folha de papel sobre a
rampa e em cima dela o carrinho com o motor
ligado (Esta folha irá receber 3 marcações: em
uma das margens, no meio e na outra margem).
Execute as três situações seguintes:
A) Carrinho na margem esquerda da folha, com as massas, exceto uma que
será amarrada na ponta do cordão para puxar o conjunto.
B) Carrinho no meio da folha, com as massas, exceto duas delas, amarradas
na ponta do cordão para puxar o conjunto.(Percorrerá do inicio ao fim da
folha, na região mediana, longitudinal).
C) Carrinho na margem direita da folha, sem as massas, com apenas uma de
suas massas amarrada na ponta do cordão, puxando o conjunto.
Meça em cada situação:
a) A força que está puxando o conjunto;
b) A massa do conjunto. (Considere 100g equivalente a 1N)
Calcule a aceleração adquirida pelo conjunto em cada situação,
empregando a equação da distância (MRUA):
d = v0 t + ½ at2 e para v0 = 0 (partindo do repouso) d= ½ at2 ou a = 2d/t2
55
Considere o tempo entre 11 (ou 22, ou 33) marcas, assim você terá t =1/3seg
(ou 2/3 seg, ou 1 seg) respectivamente. Meça a distância do início do
movimento do carrinho até a 11a (ou 22a, ou 33a) marca deixada pelo grafite
adaptado ao motor dele.
Com os dados acima preencha um quadro semelhante ao que se segue,
reproduzido para os alunos:
Força aceleradora
f (N)
A
B
C
Massa conjunto
m (kg)
Aceleração adquir.
a (m/s2)
Massa X aceler.
(kg m/s2)
QUESTÕES
1) O que acontece com a aceleração se:
a) aumenta a massa a ser acelerada? (Compare A e C)
b) diminui a força que acelera? (Compare B e A)
2) Os resultados encontrados no quadro acima confirmam a 2a Lei de
Newton: F = m . a ? Quais foram, a seu ver, os fatores causadores de
erros no experimento? Verifique se o marcador estava marcando de fato
33 traços por segundo. (Sugestão: passe o carrinho sobre uma tira comprida
de papel durante um certo tempo e conte as marcas).
3) Pela equação:
F = m. a , quais são as correspondências entre o N
(Newton) e as unidades para medida de massa e aceleração?
COMPLEMENTOS
1) Com base na 2a Lei de Newton, tente explicar por que os campos de
pouso e decolagem de aviões são tão compridos.
2) Se um motorista dispuser de uma pista horizontal, reta e muito longa e
mantiver o carro em uma mesma marcha e com o acelerador em
uma mesma posição (força constante) verá o velocímetro marcar
velocidades cada vez maiores até certo valor, quando ela permanecerá
constante. A situação descrita contradiz a 2a Lei de Newton? Explique.
3) Qual a condição para um movimento em linha reta ser mantido com
velocidade constante?
4) Como pode um corpo mais pesado que outro caírem juntos se soltos
simultaneamente de uma mesma altura e sem a resistência do ar?
5) Explique por que uma pessoa é capaz de lançar uma pedra de 100g a uma
grande distância e não dá conta de lançar a esta mesma distância uma
outra pedra de 1Kg?
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23 - 3a LEI DE NEWTON - (I)
OBJETIVOS
• Evidenciar a 3a lei de Newton.
MATERIAL
Pista para carrinho
2 cordões de ± 50cm
Dinamômetro
2 eixos de 1/8 ″Ø
2 roldanas
4 massas
PROBLEMATIZAÇÃO
Prevê o valor da força que será fornecido pelo dinamômetro na situação
abaixo.
DESENVOLVIMENTO
Coloque a calha na beirada da mesa
com as roldanas encaixadas nos eixos
adaptados nos furos das extremidades
dela. Prenda um cordão na alça do
dinamômetro e o outro cordão no gancho
dele. Passe os cordões pelas roldanas e
pendure duas massas de 100 g na ponta
de cada um deles.
Após as previsões dos alunos faça a leitura da força indicada no
dinamômetro.
QUESTÕES
1) Como você explica o fato do dinamômetro acusar apenas 2N?
2) Quantas forças são necessárias para esticar, comprimir ou deformar um
corpo? Justifique sua resposta.
COMPLEMENTO
Imagine a montagem que você utilizou neste experimento com as
roldanas muito afastadas entre si e 3 massas de um lado e 2 do outro.
Descreva o que aconteceria. Qual seria a leitura fornecida pelo
dinamômetro? (Despreze os efeitos do atrito e das massas do dinamômetro e
dos cordões)
57
24 - 3a LEI DE NEWTON - (II)
OBJETIVOS
• Demonstrar o princípio da ação e reação;
• Associar fenômenos de observações diárias com a 3ª Lei de Newton.
MATERIAL
Vareta em L
Tubo de 3/16”∅
Tubo plástico de ¼”∅
Balão de borracha e gominha
Suporte com fixador
PROBLEMATIZAÇÃO
Prever os resultados de cada situação que será executada.
DESENVOLVIMENTO
Prenda o tubo de PVC, dentro do bico do balão, com a gominha e enfie a
ponta da vareta em L nos furos de sua extremidade que ficou de fora. Encha
o balão e deixe-o esvaziar após encaixar a dobra da vareta no tubo, fixado no
topo do suporte.
Ponha o jato de ar a escapar na direção:
A) vertical;
B) horizontal e de forma a girar no sentido horário;
C) horizontal e de forma a girar no sentido anti-horário.
QUESTÕES
1) Comente o que você observou.
2) Segundo Isaac Newton (1642 - 1727) a toda ação, que um corpo A exerce
sobre um corpo B, corresponde uma reação igual e de sentido contrário
de B sobre A. Suas observações confirmam este princípio? Importa a qual
delas chamar de ação ou reação?
3) Neste experimento quais eram os dois corpos em interação? Explique.
COMPLEMENTOS
1) Explique como o sistema de propulsão empurra:
a) o carro;
b) o avião a jato; c) o avião a hélice;
2) Diga quem fará a força de reação nos seguintes casos:
a) para um barco ser movido a remo em um lago;
b) para um macaco levantar um carro;
c) para uma pessoa andar sobre o piso.
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d) o barco a vela.
25 - PESO E MASSA
OBJETIVO
• Evidenciar a diferença entre peso e massa de um objeto.
MATERIAL
Massas de 100g
Suporte com fixador
2 Dinamômetros
2 copos com água
Pinos de fixação
Ganchos em C
Régua
PROBLEMATIZAÇÃO
Considere uma barra com eixo central em equilíbrio, na horizontal, com
dois pesos suspensos por duas molas presas, uma de cada lado, nas
extremidades da barra. O quê ocorrerá com o conjunto se um dos pesos for
mergulhado em uma vasilha com água? E se os dois pesos forem imersos na
água, o que acontecerá?
DESENVOLVIMENTO
Faça a montagem da ilustração.
Prenda o suporte na lateral da
mesa. Use um pino para fixar a régua
no suporte e os outros dois, enfiados
nos furos do suporte logo abaixo da
régua, para funcionarem como
batentes. Pendure os dinamômetros
nas extremidades da régua com os
ganchos. Pendure uma massa de 100g
em cada um dos dinamômetros e
ajuste a posição deles para que a régua
fique na horizontal.
Após ouvir as respostas dos alunos
sobre a questão inicial, chegue dois
copos com água até as massas
penduradas, mergulhando uma e
depois as duas na água.
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QUESTÕES
1) Como você explica o fato da régua continuar em equilíbrio enquanto as
indicações nos dinamômetros sofrem alterações com os dois corpos
mergulhados na água?
2) Os pesos dos corpos de fato diminuíram com a imersão deles na água?
Lembre-se que o peso de um corpo é determinado pela equação P = m g.
3) Que alterações deverão ocorrer no conjunto se você pendurar mais uma
massa de 100g de cada lado? Dê sua resposta e depois verifique
experimentalmente se ela está correta.
COMPLEMENTOS
1) Sabemos que a atração gravitacional na Lua é aproximadamente 6 vezes
menor que a atração gravitacional na Terra. O que você poderia afirmar
sobre este experimento se ele fosse realizado lá? A massa dos corpos de
chumbo sofreriam alguma alteração? E seus pesos?
2) Com base em que você pode afirmar que a régua continuaria em
equilíbrio se o conjunto fosse levado para a Lua?
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26 - TRABALHO MECÂNICO
OBJETIVOS
• Mostrar que o trabalho depende da direção da força que o realiza;
• Mostrar a identidade entre trabalho e variação da energia cinética.
MATERIAL
Pista para carrinho
2 cordões com ± 1m
Suporte com grampo fixador
Carrinho com massas
1 massa de 100g
Pino de fixação
Dinamômetro
Roldana
Observação: usar pilha nova no carrinho para se obter 33 marcas por segundo.
PROBLEMATIZAÇÃO
Como aplicar uma força sobre o carrinho sem que esta força desloque o
carrinho sobre a pista?
DESENVOLVIMENTO
Deixe que os alunos experimentem puxar o carrinho com o dinamômetro
e encontrem soluções para a questão acima. Apresente as soluções caso eles
não as encontrem (F < fa , aplicada na direção do deslocamento e F ⊥ ao
deslocamento).
Fixe o suporte na beira da mesa e encaixe o pino
com a roldana no furo mais baixo, na sua lateral.
Posicione a pista na frente do suporte. O carrinho
deverá ser solto sempre do final da pista sobre
uma folha de papel. Ele será puxado pelo cordão,
que passa pela roldana, com uma massa
pendurada na ponta. O outro cordão será preso ao
pino da roldana e à massa para limitar a queda
dela em 10cm (ou 20cm).
Cuide para que o ramo do cordão preso ao carrinho fique paralelo à rampa
e na direção do deslocamento dele. Repita o experimento posicionando a
roldana no 2º e depois no 3º furo lateral do suporte.
Use os intervalos de tempo e espaço entre três marcas consecutivas,
contadas a partir do instante em que a massa parar de cair, para calcular a
velocidade final adquirida pelo carrinho.
61
QUESTÕES
1) O trabalho mecânico ou trabalho de uma força (T) realizado por uma força
constante (F), que desloca um corpo de uma distância (d), formando um
ângulo (θ) com a direção do deslocamento é dado pela equação:
T = F d cos θ
Meça o valor da força que desloca o carrinho e a distância durante a qual
ela atua, respectivamente, o peso da massa pendurada e a altura da queda.
Calcule o trabalho realizado. Para o cordão paralelo ao deslocamento a
direção da força coincide com a direção do deslocamento, logo θ = 0°.
2) Houve alguma variação no trabalho realizado sobre o carrinho, pelo peso
que cai, com a elevação da roldana? Nesta situação, a direção da força
coincide com a direção do movimento? O valor da força que arrasta o
carrinho diminui? Explique.
COMPLEMENTO
Um corpo em movimento de translação possui energia cinética, dada por:
Ec = 1/2 m v2, onde m é a massa do corpo e v é a sua velocidade.
Para que ocorra uma variação na sua energia cinética (Δ Ec), ou seja, para
que ela aumente ou diminua, é necessário que se realize um trabalho sobre o
corpo. Assim, podemos escrever:
T = Δ Ec
ou
F d cos θ = 1/2 mv2 - 1/2 mvo2
No experimento ocorreu de fato uma variação na energia cinética do
carrinho que, antes em repouso, entra em movimento com a realização do
trabalho sobre ele. Use os valores de F , d , m e V, medidos e calculados
acima, e verifique a identidade entre T e ΔEc. Comente as discrepâncias
que poderão ocorrer entre os valores encontrados experimentalmente para o
trabalho realizado sobre o carrinho e a variação da energia cinética dele que
você calculou.
62
27 - ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL
OBJETIVO
• Introduzir o conceito de energia potencial gravitacional.
MATERIAL
Mola espiral
Massa de 100 g
Cordão com ± 50cm
PROBLEMATIZAÇÃO
Como esticar uma mola pendurada, que sustenta uma massa amarrada em
sua extremida, além da posição de equilíbrio, sem puxar a massa para baixo
ou acrescentar mais massas?
DESENVOLVIMENTO
Após comentar as soluções apresentadas pelos alunos
prenda a mola em algum prego existente na moldura
superior do quadro de giz (ou em um pino encaixado no
suporte, fixado na beirada da mesa). Pendure a massa na
mola através do cordão. Marque a posição de equilíbrio.
Eleve a massa acima do ponto de equilíbrio em que se
encontrava e deixe-a cair. Repita o procedimento
variando a posição da qual a massa é abandonada.
QUESTÕES
1) Como você explica o fato do peso esticar a mola além da posição inicial
de equilíbrio quando ele é solto acima desta posição?
2) Há alguma relação entre a altura de abandono da massa e o esticamento da
mola? Verifique.
COMPLEMENTO
A questão anterior não pode ser explicada considerando que o peso tenha
aumentado, pois a massa do objeto não variou e muito menos a atração
gravitacional. Por outro lado, você deverá ter observado que as deformações
sofridas pela mola aumentam com o aumento da altura de queda da massa.
Como a situação envolve força e deslocamento (peso da massa e altura da
queda), é fácil deduzir que o fato tem a ver com o trabalho realizado pelo
peso do corpo ao cair. Tente explicar a questão anterior a partir do conceito
de trabalho mecânico. Dizemos que a massa adquire energia potencial
gravitacional ao se elevada.
63
28 - ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA E ENERGIA
POTENCIAL GRAVITACIONAL
OBJETIVOS
• Mostrar a transformação da energia potencial gravitacional em energia
potencial elástica,
• Comparar a energia potencial gravitacional do sistema com a energia
elástica adquirida pela transformação.
MATERIAL
Régua
Mola espiral
Dinamômetro
3 massas de 100g
PROBLEMATIZAÇÃO
Considere uma mola pendurada sustentando uma certa massa na
extremidade. O que ocorrerá se:
a) a massa for puxada verticalmente para baixo e solta a seguir?
b) a massa for posta a oscilar lateralmente?
DESENVOLVIMENTO
Após as considerações dos alunos execute as duas situações propostas
acima.
Pendure a mola em um prego na moldura superior do
quadro de giz (ou em um pino no suporte preso à mesa) e
engate 3 massas de 100g na outra extremidade dela. Puxe
as massas um pouco abaixo da posição de equilíbrio e
solte-as. Depois pare o sistema e a seguir coloque as
massas a oscilar lateralmente. Comente os resultados
observados e passe para o experimento proposto abaixo:
Marque a posição de equilíbrio da mola sem as
massas. Pendure as 3 massas na mola. Suspenda as
massas até que a mola retorne à sua posição de equilíbrio
anterior. Solte as massas dessa altura e marque a posição
em que a mola atinge sua máxima deformação. Retire as
massas e meça, com o dinamômetro, o valor da força que
a mola faz quando sofre esta deformação.
64
QUESTÕES
1) Com a queda das massas o peso do conjunto realiza um trabalho.
Transforma a energia potencial delas (do ponto de abandono) em energia
elástica com a deformação da mola até o ponto mais baixo que as massas
atingem. Determine esse trabalho realizado pelo peso das massas ao
caírem esticando a mola (T = P . h).
(Calcule também a energia adquirida pela mola ao ser esticada). Lembrese que para isto basta considerar a força média realizada pelo
dinamômetro vezes a extensão correspondente à deformação da mola.
2) Compare os valores determinados na questão anterior e faça um
comentário sobre os fatores responsáveis por diferenças entre eles, já que
teoricamente deveriam ser iguais, devido ao princípio de conservação da
energia.
COMPLEMENTO
Durante a queda das massas a energia potencial delas estava sendo
transformada em energia cinética e elástica. Desprezando as perdas a soma
dessas três energias em qualquer ponto durante a queda era sempre constante,
variando apenas a intensidade de cada uma delas. Em que instante era
máxima:
a) a energia potencial gravitacional (Ep)?
b) a energia potencial elástica (Ee)?
c) a energia cinética (Ec)?
Em que instante elas eram iguais?
65
29 - ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA
E ENERGIA CINÉTICA
OBJETIVOS
• Mostrar a transformação da energia elástica em energia cinética,
• Comparar a energia potencial elástica do sistema com a energia cinética
oriunda da transformação.
MATERIAL
Mola espiral
Régua
Dinamômetro
Cordão com ± 20cm
Pista para carrinho
Carrinho com massas (usar pilha nova para obter 33 marcas por seg)
PROBLEMATIZAÇÃO
Como será a distribuição das marcas deixadas pela grafite do carrinho na
situação descrita abaixo?
DESENVOLVIMENTO
Prenda a mola na alça da
pista e amarre o cordão na
outra extremidade dela e no
carrinho, deixando ± 20cm,
de distância entre eles.
Coloque uma folha de papel
a partir do final da pista.
Posicione o carrinho sobre a
folha, com o motor ligado e
solte-o, do final da pista.
Use o dinamômetro para medir o valor da força que a mola exerce sobre o
carrinho no início do movimento.
Meça também a variação do comprimento da mola. Analise com os alunos
a folha marcada pelo carrinho. Ache a velocidade do carrinho logo após ter
cessado a força da mola sobre ele.
66
QUESTÕES
1) A que podemos atribuir o movimento adquirido pelo carrinho? Explique.
2) Podemos determinar o trabalho realizado sobre o carrinho pela força da
mola, considerando que ela tinha sido constante e igual ao seu valor
médio. Faça isto.
Meça a massa do carrinho (1N equivale a aproximadamente 100g) e
determine a energia cinética dele depois de cessada a força da mola que o
puxava.
3) Compare os valores encontrados acima com o trabalho realizado pela mola
e a energia cinética adquirida pelo carrinho. Discuta as possíveis
discrepâncias entre os dois valores.
COMPLEMENTO
Podemos considerar que o trabalho realizado pela mola é igual à
energia elástica armazenada pela mola enquanto esticada. Neste caso a
energia cinética do carrinho surgiu da transformação dessa energia
potencial elástica da mola em energia cinética.
Teoricamente, a Física garante uma identidade entre estas três
grandezas. Baseado nos resultados encontrados por você essa identidade é
confirmada? Comente.
67
30 - TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA: RESSONÂNCIA
OBJETIVOS
• Demonstrar a conservação da energia ;
• Evidenciar a relação entre freqüência de oscilação e o fenômeno de
ressonância.
MATERIAL
Suporte com grampo fixador
3 cordões com ± 50cm cada
3 massas de 100g
Tubo de ¼” com 40cm
PROBLEMATIZAÇÃO
Prevê o que ocorrerá em cada situação abaixo.
DESENVOLVIMENTO
Monte as peças conforme a ilustração.
Amarre uma das cordas no tubo, fazendo
uma alça. Nesta alça pendure os dois
pêndulos. Anote suas observações sobre o
comportamento dos dois pêndulos nas
seguintes situações:
A) Os dois com o mesmo comprimento e a mesma massa, colocados a
oscilar juntos e simultaneamente;
B) Idem A, colocando apenas um a oscilar;
C) Idem A e B, para um pêndulo contendo o dobro da massa do outro;
D) Idem A e B, mas com um dos pêndulos mais comprido que o outro.
QUESTÕES E COMENTÁRIOS
1) Explique por que em B e C um dos pêndulos pára, quando o outro está
com amplitude máxima.
2) Verifique se os dois pêndulos adquirem a mesma amplitude máxima :
a) em B;
b) em C.
68
3) Considere as situações A e D e responda, pelo que você observou sobre o
comportamento dos dois pêndulos:
a) qual a condição para que eles tenham a mesma freqüência de oscilação?
b) qual a condição necessária para que haja transferência total da energia
de um para o outro?
COMPLEMENTOS
1) Extrapolando o que foi visto, tente explicar por que:
a) uma criança, em um balanço, movendo seu corpo para frente e para
trás, em cadência com o balanço, faz com que a amplitude do movimento
aumente;
b) um batalhão não deve passar em passo cadenciado por uma ponte
longa.
2) Ocorre o fenômeno de ressonância para qualquer relação entre as
freqüências de oscilação dos dois pêndulos? Comente.
69
31 - MÁQUINA SIMPLES
OBJETIVOS
• Mostrar o princípio de funcionamento das máquinas simples;
• Avaliar o rendimento das máquinas simples;
• Evidenciar algumas aplicações práticas em que as máquinas simples são
usadas.
I - ALAVANCA
MATERIAL
Massas de 100g
Dinamômetro
2 ganchos em C
Régua
3 pinos de fixação
Suporte com grampo fixador
PROBLEMATIZAÇÃO
Manter a régua em equilíbrio, na horizontal, com 3 massas penduradas a
10cm do eixo, com o dinamômetro posicionado:
a) antes do eixo;
b) entre o eixo e o gancho com as massas;
c) além da posição das massas.
DESENVOLVIMENTO
Após a verificação experimental das três formas solicitadas na
problematização, fazer os comentários e classificar os tipos de alavancas
empregados: interfixa, interpotente e inter-resistente, respectivamente.
Pendure as massas e o dinamômetro de cada
lado da régua, usando os ganchos em C. Meça
no dinamômetro o valor da força necessária para
equilibrar as massas (força potente, Fp),
mantendo a régua na posição horizontal em cada
situação abaixo. Varie a distância que vai do
eixo ao gancho com as massas (braço resistente,
Br) e do eixo ao gancho do dinamômetro (braço
potente, Bp) de forma a guardarem entre si
proporções: 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/2.
70
Anote os valores obtidos em três quadros semelhantes ao apresentado abaixo
(reproduzido para os alunos) um para cada uma das situações que se segue:
a) eixo mantido entre Fr e Fp (alavanca interfixa);
b) Fr mantida entre o eixo e Fp (alavanca inter-resistente);
c) Fp mantida entre o eixo e Fr (alavanca interpotente).
Tipo de alavanca :
Fr (N)
Br (cm)
Fp (N)
Bp (cm)
Fr Br (N.cm)
Fp Bp (N.cm)
Observação: chamamos de Fr o peso das massas
QUESTÕES
1) Analise os quadros com os valores Fr Br e Fp Bp, para cada um dos tipos
de alavanca e escreva uma equação relacionando estes valores e que seja
válida para os três tipos de alavancas.
2) Como você poderá levantar um carro, com o peso do seu corpo, usando
uma alavanca? Qual deverá ser a razão entre Br e Bp, se o peso da pessoa
for de 80 Kgf e o peso do carro 1200 Kgf?
COMPLEMENTOS
1) Verifique que tipo de alavanca empregamos quando:
a) cortamos com uma tesoura;
b) varremos com uma vassoura;
c) escrevemos com um lápis;
d) carregamos terra em um carrinho de pedreiro;
e) usamos um grampeador.
2) Responda e comente: Com uma alavanca podemos diminuir o trabalho a
ser realizado ou com ela podemos diminuir o esforço para realizar este
trabalho?
71
II - ROLDANAS
MATERIAL
3 roldanas com alça
2 cordões com ± 50cm
Suporte com grampo fixador
1 pino de fixação
Dinamômetro
1 roldana sem alça
5 massas de 100g
PROBLEMATIZAÇÃO
Prever a condição de equilíbrio para o sistema a cada momento em que se
acrescentar uma roldana a ele.
DESENVOLVIMENTO
Inicialmente prenda o suporte na lateral da mesa
e um pino próximo ao topo dele. Pendure o
dinamômetro no pino. Passe um cordão por uma das
roldanas e engate as alças dele no gancho do
dinamômetro. Pendure as massas na alça da roldana
e leia o valor da força indicada no dinamômetro.
Que força indicará este, se uma das alças do cordão
for levada para o pino? Verifique. Como você
explica a redução da força indicada no dinamômetro
se o peso suspenso é o mesmo de antes?
Monte, agora, as peças conforme o desenho e
siga as orientações seguintes:
Chame as roldanas de A, B, e C, a partir do suporte. Leia os valores da
força indicada no dinamômetro (força potente, Fp) necessária para equilibrar
os pesos suspensos na alça de cada roldana, nas situações:
A)
B)
C)
D)
E)
4 massas penduradas no outro lado do cordão que passa pela roldana A.
4 massas penduradas na roldana B;
2 massas penduradas na roldana B;
4 massas penduradas na roldana C;
2 massas penduradas na roldana C;
Observação: As forças aplicadas no sistema pelas massas é chamada de
força resistente, ou carga, Fr.
72
Meça agora que extensão da corda deve ser puxada para elevar a carga de:
F) 5 cm nos itens D ou E;
G) 10 cm nos itens C ou D;
H) 20 cm no item A.
Preencha com os alunos um quadro semelhante ao que segue usando os
valores fornecidos e medidos.
A
B
C
D
E
Fr
(N)
4,0
4,0
2,0
4,0
2,0
no roldanas
móveis
Fp (N)
elevação da
carga h (cm)
20
10
10
20
20
corda puxada
l(cm)
Fr h
Fp l
QUESTÕES
1) Que força é exercida na alça e nos ramos do cordão de cada roldana, nas
associações dos itens A, C e E?
Mostre-as em diagramas feitos em seu caderno.
2) Como as roldanas móveis, de uma associação de roldanas, reduzem o
esforço necessário para se elevar uma dada carga? Que vantagem
apresenta o emprego de roldanas fixas?
3) Os produtos: Fr x h e Fp x l correspondem aos trabalhos mecânicos
realizados pela força Fr (trabalho resistente) e pela força Fp (trabalho
potente) respectivamente. As roldanas móveis permitem a você reduzir o
trabalho potente para elevar a carga ou, simplesmente reduzem o esforço
necessário para realizá-lo? Explique.
COMPLEMENTOS
1) Qual a vantagem de se usar uma roldana fixa para elevar argamassa em
construções? Neste caso, qual a relação entre o comprimento da corda
esticada e da altura de elevação da carga?
2) Que força uma pessoa de 60 Kg, terá que fazer para se elevar, usando:
a) uma roldana fixa? (roldana A, a pessoa amarrada em uma das pontas
do cordão e puxando a outra);
b) uma roldana fixa e uma móvel? (roldanas A e B, a pessoa presa à alça
da roldana B e puxando a parte livre do cordão que passa pela roldana A).
73
III - PLANO INCLINADO
MATERIAL
Tubo de ¼” com 40cm
Carrinho com massas
Suporte com grampo fixador
Pista para carrinho
2 pinos de fixação
Dinamômetro
Transferidor
PROBLEMATIZAÇÃO
Qual a relação física entre um parafuso e uma rampa (plano inclinado)?
DESENVOLVIMENTO
Após ouvir as colocações dos alunos mostre e discuta com eles a seguinte
situação:
Corte uma folha de papel ofício pela diagonal. Enrole uma das partes no
tubo, começando pela parte mais larga. Associe a linha de corte da folha
aberta com um plano inclinado e esta linha, ao longo do tubo, com a rosca do
parafuso.
Faça agora a montagem conforme a
ilustração. Meça a força necessária para
puxar lentamente o carrinho sobre o
plano em diversos ângulos de inclinação.
Meça a força necessária para elevar o
carrinho a 10 cm de altura e a distância
que ele percorre sobre o plano para:
A) um ângulo de inclinação bem pequeno;
B) o plano na vertical.
QUESTÕES
1) Como varia a força para elevar o corpo sobre o plano, com as variações
do ângulo de inclinação deste?
2) Que conclusão você pode tirar, a partir dos valores encontrados nos itens
A e B, sobre a força aplicada para puxar o corpo e o deslocamento deste
sobre o plano? Os trabalhos realizados serão iguais? Em qual situação o
esforço é menor para realizar o trabalho de elevar o carrinho?
3) Comente: “Uma escada é um plano inclinado com degraus”.
74
IV - SARILHO
MATERIAL
Cordão com ± 1m
Roldana com eixo
Suporte com grampo fixador
Eixo de 1/8”∅ tubular
Pino de fixação
Massas de 100g
Dinamômetro
PROBLEMATIZAÇÃO
Comentar: “o sarilho é uma alavanca rotativa”.
DESENVOLVIMENTO
Faça a montagem conforme a ilustração para que os
alunos possam fazer a comparação entre sarilho e
alavanca (se necessário, monte também uma alavanca).
Encaixe o eixo no suporte, após fixar este na lateral
da mesa. Enfie o tubo da roldana no eixo. Prenda o
cordão no tubo de forma que seja enrolado nele quando
girar a roldana. Use o pino no furo da roldana como
manivela. Engate as massas na outra extremidade do
cordão e gire a manivela.
QUESTÕES
1) Que alterações seriam verificadas na força aplicada na manivela para
elevar a carga:
a) se aumentasse o diâmetro do tubo;
b) se aumentasse o braço da manivela (distância entre o eixo e o cabo da
manivela);
c) o diâmetro do tubo fosse maior que o braço da manivela (ponha o
cordão a enrolar no sulco da roldana).
2) Identifique as semelhanças entre sarilho e alavanca.
COMPLEMENTOS
1) Sabendo que em qualquer máquina simples o trabalho da força resistente
(Fr) é igual ao trabalho da força potente (Fp), procure obter uma equação
que relacione Fp e Fr, com o braço da manivela (Bp) e o raio do tubo (Br).
2) Pendure 5N no cordão do sarilho que você montou e verifique, com o
dinamômetro, qual a força necessária para equilibrá-la. Meça Bp, braço
potente (da manivela) e calcule Br.
75
V - POLIAS COM CORREIA
OBJETIVOS
• Verificar a relação entre as rotações e os raios de duas polias interligadas
por correia;
• Mostrar algumas aplicações das polias associadas por correia.
MATERIAL
Gominha
Suporte com grampo fixado
Roldana de 3cm ∅
Pino de fixação
Roldana com eixo tubular
PROBLEMATIZAÇÃO
Como ligar duas polias com correia de forma que elas girem:
a) num mesmo sentido?
b) em sentidos opostos?
DESENVOLVIMENTO
Após fixar o suporte na lateral da mesa encaixe
as roldanas, como mostra a ilustração. Use a
gominha como correia. Após resolverem o desafio
passem para as verificações abaixo:
Rode agora uma das polias e veja como roda a
outra. Verifique qual é a relação entre o número de
voltas entre elas (quantas voltas dá a menor para
cada volta da grande). Meça e anote também os
valores dos seus raios.
QUESTÕES
1) Qual a relação entre o número de voltas dadas por cada polia e o
tamanho de seus raios?
2) A transmissão de rotação através de polias com correia aumenta a
versatilidade do motor. Um mesmo motor com rotação constante pode
transmitir, à distância, maior ou menor rotação para o sistema ligado a
ele. Relacione algumas situações nas quais você tenha visto transmissão
de rotação por polias com correia.
76
COMPLEMENTOS
1) Observe que quando uma das polias dá uma volta completa, desloca
sobre seu sulco uma porção da correia correspondente ao perímetro dele,
dado por C = 2πR (Comprimento da circunferência).
Então a relação entre o número de voltas entre elas será dado por:
R2
C 2 2πR2
=
ou n21 =
(número de voltas da polia 2 para cada volta
R1
C1 2πR1
da polia 1).
Calcule a partir da razão entre os raios quantas voltas a polia menor dará
para cada volta completa da polia maior e compare este resultado com o
valor que você observou no experimento.
2) Que outros tipos de transmissão mecânica você conhece? Como é
possível transformar movimento circular em movimento de vai-e-vem ou
vice versa? Pendure a régua no pino encaixado no furo da roldana,
próximo à borda. Observe o movimento da régua ao girar a roldana.
Caso você não consiga, apresentar soluções, pesquise sobre biela.
Para desdobrar as toras de madeira em pranchas, tábuas, etc., usavam
(e ainda usam) serras longas, com movimentos de vai-e-vem. Estas serras
eram movidas à tração humana porque, até quase o final da Idade Média,
não sabiam converter o movimento circular, das rodas d’água em
movimento oscilatório. Tente descrever as alterações técnicas,
econômicas e sociais ocorridas com a introdução do uso das bielas no
final da Idade Média.
77
32 - MÁQUINA COMPOSTA - GRUA
OBJETIVOS
• Mostrar máquinas complexas como combinação de máquinas simples;
• Salientar a contribuição das máquinas na arquitetura, desde AC
MATERIAL
Cordão com ± 50cm
Roldana com eixo tubular
Suporte com grampo fixador
Régua
Massas de 100g
Eixo de 1/8”∅
2 pinos de fixação
PROBLEMATIZAÇÃO
Quais os tipos de máquinas simples (alavanca, roldana, polia,
engrenagem, etc.) são empregados na construção de uma bicicleta?
DESENVOLVIMENTO
Depois da discussão sobre as máquinas
simples presentes em uma bicicleta construa a
grua ilustrada ao lado.
Levante as massas, presas na extremidade
da régua, através da manivela, para a régua
fixada em posições diferentes (orifício central,
orifício da direita e orifício da esquerda).
QUESTÕES
1) Identifique as máquinas simples combinadas na construção da grua.
2) Qual a correlação que você percebeu entre a força aplicada na manivela,
para elevar as cargas, e a altura que esta atinge?
COMPLEMENTO
As gruas surgiram a mais de 5 mil anos, no Egito Antigo, e vêm
contribuindo na evolução da humanidade, reduzindo o esforço na realização
de trabalhos pesados. Hoje são conhecidos pelos nomes de guinchos e
guindastes. Considerando a importância dos guindastes na construção
arquitetônica atual, faça um retrocesso no tempo e descreva o papel
desempenhado pela grua na construção das grandes obras da arquitetura
egípcia, grega e romana. Pesquise o assunto em enciclopédias, livros de
História Antiga ou em livros de História das Ciências e Tecnologia.
78
33 - CHOQUE MECÂNICO
OBJETIVOS
• Verificar choques elásticos e inelásticos.
• Analisar a conservação da quantidade de movimento de 2 esferas que se
chocam.
MATERIAL
Vareta em L de 40cm
Esferas de plástico
Suporte com grampo fixador
PROBLEMATIZAÇÃO
Prevê os resultados para cada um dos procedimentos abaixo:
DESENVOLVIMENTO
A) Mantenha 2 esferas juntas e
lance sobre elas a terceira.
B) Lance 2 esferas juntas contra
a outra
C) Deixe 2 esferas separadas
entre si de 4 dedos e lance a
terceira sobre elas.
D) Ponha um pedacinho de fita adesiva, com duas faces aderentes, numa das
esferas, na região de choque (ao nvés de fita pode-se usar também algum
tipo de massa, como: massa de modelar, sabão amolecido, cera de abelha,
etc.) e repita a situação A.
QUESTÕES
1) Como você explica as diferenças no comportamento das esferas em cada
situação?
2) O que aconteceu com o movimento da esfera lançada contra as outras:
a) na situação A?
b) na situação D?
3) Comente porque choques como esses são classificados de: choques
elásticos, na situação A e de choques inelásticos na situação D?
4) Com base nas suas observações sobre os experimentos realizados o que
caracteriza:
a) o choque elástico?
b) o choque inelástico?
79
34 - PRESSÃO
OBJETIVOS
• Introduzir o conceito de pressão;
• Determinar a pressão de um bloco sobre uma superfície.
MATERIAL
Lápis com ponta fina
Bloco de madeira com furos
Massas de 100g
Dinamômetro
PROBLEMATIZAÇÃO
Comprima um lápis longitudinalmente entre as mãos (apoiado pela ponta
e pela base nas palmas das mãos). Como você explica o incômodo maior na
mão que apóia a ponta do lápis?
DESENVOLVIMENTO
Discuta com os
alunos as respostas
que eles
apresentarem para
a questão acima.
A) Encaixe o lápis em um dos furos do bloco. Apóie o bloco sobre uma
borracha através de uma de suas faces e depois através da ponta do lápis,
evidenciando a diferença entre as áreas de apoio, sobre as quais o peso do
bloco fica distribuído.
B) Meça o peso do bloco com o dinamômetro.
QUESTÕES
1) Enquanto você comprimia o lápis entre as mãos uma delas fazia mais
força do que a outra? Neste caso elas poderiam ficar em repouso, sem
deslocar-se para a direita ou para a esquerda?
2) Qual a diferença física nas situações descritas abaixo:
a) Bloco sobre a mesa apoiado sobre sua face maior e depois sobre a face
menor.
b) Bloco sobre a mesa apoiado sobre a face maior apenas com seu peso e
depois com as massas de 100g sobre ele.
80
COMPLEMENTO
1) Avalie aproximadamente quantas vezes a área da base do lápis é maior
que a área da sua ponta. (Comprima com força a base dele sobre uma
folha e cubra de pontos a área demarcada. Não se esqueça de ir contando
os pontos.) Enquanto você comprimia o lápis, a força em uma das mãos
era aplicada em apenas um ponto e na outra mão, em muitos deles.
2) Todas as situações abordadas acima envolviam uma força e distribuição
dela sobre uma superfície. Ou seja, envolviam pressão. Por definição:
Pressão (P) = força (F)/ área (A)
→
P = F/A
Sabendo-se que o bloco tem a forma de um paralelepípedo de
(2x8x16)cm de arestas, calcule a pressão que ele exerce sobre a mesa
quando apoiado em cada uma de suas faces.
81
35 - DENSIDADE
OBJETIVOS
• Desenvolver o conceito de massa específica;
• Determinar a densidade de algumas substâncias.
MATERIAL
Béquer com alça
Barra de Al com gancho
Massa de Pb de 100g
Proveta
Dinamômetro
PROBLEMATIZAÇÃO
Se você colocar 60ml de água na proveta e introduzir nela a barra de Al
verá o nível da água indicar 100ml. Você poderá dizer que o volume de água
aumentou? Explique o que ocorre e escreva uma equação para se calcular os
volumes em questão.
DESENVOLVIMENTO
Discutir com os alunos a questão acima
destacando a situação como uma forma de medir
volume de corpos irregulares.
Com o dinamômetro e o bequer com alça,
determine a massa de 50ml e depois de 100ml de
água e de álcool. Determine também a massa e o
volume dos objetos de Pb e de Al. (Empregue a
equivalência: 1N ≡ 100g aproximadamente)
QUESTÕES
1) Com os dados obtidos preencha o quadro seguinte:
Substância
Massa (m)
em g
Volume (V)
cm3 ou ml
Água
Álcool
Alumínio
Chumbo
82
Massa/Volume (m/V)
em g/cm3
2) Observe, a partir dos valores do quadro acima, se a volumes iguais de
substâncias diferentes correspondem sempre massas iguais e, vice-versa, se a
massas iguais de substância diferentes correspondem sempre volumes iguais.
Comente o que você observou
3) A relação m/V é chamada de densidade da substância e como o seu valor
depende da substância em questão ela serve para especificar uma certa
substância e é também rotulada de massa específica. Procure em tabelas de
densidades quais são as substâncias, dentre as que você conhece, de maior e
de menor densidade.
COMPLEMENTO
A concentração das moléculas que formam uma certa substância é
sempre a mesma? Como você imagina a concentração das moléculas no Pb,
no Al e no isopor?
83
36 - PRESSÃO NOS LÍQUIDOS
OBJETIVOS
• Construir um manômetro
• Verificar a variação da pressão no interior de um líquido.
MATERIAL
Mangueira 1/8” e ¼” ∅
Suporte com grampo fixador
Fita adesiva ou gominhas
Seringa de plástico
Proveta
Água colorida
PROBLEMATIZAÇÃO
Observando apenas o deslocamento das colunas de líquido no manômetro
(descrito abaixo) dizer se a seringa, conectada à ele, está aumentando ou
diminuindo a pressão no seu interior.
DESENVOLVIMENTO
Monte o manômetro conforme descrição. Prenda o
suporte na lateral da mesa e fixe a mangueira mais
grossa, dobrada ao meio ao longo dele com a fita
adesiva ou gominhas (formando um U). Encaixe a
mangueira fina em uma das pontas da outra. Com a
seringa injete ±15 ml de água colorida nas mangueiras,
posicionando este volume na mangueira grossa.
Retire a seringa e as bolhas de ar, caso tenham se formado. Puxe o
êmbolo da seringa até ao meio e ligue esta ao manômetro. Sem que os alunos
vejam a seringa, comprima ou puxe o êmbolo dela e peça à eles que
descubram suas ações, observando apenas o comportamento das colunas do
líquido no manômetro. Discuta o experimento com os alunos e explique as
variações observadas em função da pressão.
Verifique agora o que ocorre com a pressão exercida pela água na proveta
introduzindo a mangueira do manômetro no seu interior até o fundo dela.
QUESTÕES
1) Explique como funciona o manômetro que empregamos nesta pratica?
2) Explique como varia a pressão no interior de um líquido. Com base nas
suas observações comente a equação que fornece a pressão no interior de
um líquido: Pint = Patm + ρ g h.
84
7 - PRESSÃO ATMOSFÉRICA
OBJETIVOS
• Evidenciar ações da pressão atmosférica;
• Mostrar a realização de trabalho por diferença de pressão.
MATERIAL
Mangueira ¼” ∅
Seringa de plástico
Béquer com água
PROBLEMATIZAÇÃO
Como manter a mangueira cheia de água, esticada na posição vertical,
com a extremidade de baixo aberta?
DESENVOLVIMENTO
A) Para solucionar o desafio basta tampar a extremidade de cima da
mangueira. Ouvir as explicações apresentadas pelos alunos para o fato da
água não cair da mangueira e discuti-las com eles. Quando fica uma
coluna de ar entre o dedo que tampa a mangueira e a coluna de água é
comum os alunos dizerem que é este ar que puxa a água para cima.
Mostre que mesmo na ausência desta coluna de ar a água não cai da
mangueira, mantida na vertical, tendo somente a boca de cima tampada.
B) Puxe o êmbolo da seringa até ao meio dela e tampe bem o bico (pode ser
com o dedo ou com uma tampinha de trás de caneta esferográfica).
Comprima e solte o êmbolo e depois puxe o êmbolo e solte-o.
QUESTÕES
1) “A força gravitacional puxa a água para baixo e se ela não cai é porque
alguma coisa está empurrando a água para cima.” Comente.
2) Usando o conceito de pressão atmosférica explique o que você observou
na situação A. Verifique que o resultado não se altera estando a
extremidade de baixo da mangueira virada para cima ou para os lados.
3) A tendência de um gás é sempre se expandir. Suas moléculas tendem a
afastarem-se uma das outras, exceto quando reduzimos sua temperatura.
Com base neste princípio explique, situação B, quem empurra o êmbolo:
a) após a compressão;
b) após ser puxado.
COMPLEMENTO
Na seringa, seu êmbolo desloca-se mediante uma força, logo, há
realização de trabalho. Explique quem realizava trabalho em cada etapa do
experimento com a seringa.
85
38 - VASOS COMUNICANTES – TRANSFERÊNCIA
DE LÍQUIDOS
OBJETIVOS
• Mostrar o comportamento dos líquidos em recipientes que se comunicam;
• Empregar o fenômeno de capilaridade e de diferença de pressão no
transporte de líquido.
MATERIAL
Erlenmeyer com rolha
Seringa de 20ml
Mangueira de 1/8” e 1/4”
Copo com água colorida
Chumaço de algodão ou lenço de papel
Pino de fixação
Proveta
PROBLEMATIZAÇÃO
Ponha um copo cheio de água sobre uma cadeira e um outro copo vazio
sobre a mesa. É possível passar a água para o copo de cima usando apenas a
mangueirinha? (Se necessário emende as mangueiras)
DESENVOLVIMENTO
Após ouvir a opinião dos alunos peça
a um deles que execute a tarefa seguindo
sua sugestão. Depois que ele fizer
algumas tentativas inverta as posições dos
copos. Discuta brevemente a questão e
passe para as etapas abaixo:
A) Encaixe a mangueirinha na ponta da seringa e aspire a água até retirar o
êmbolo. Segure a extremidade livre da mangueira paralela ao corpo da
seringa. Eleve e abaixe a ponta da mangueira observando o
comportamento da água nela e na seringa. Até que ponto a mangueira
pode ser abaixada sem que vaze água?
B) Coloque ± 250ml de água no erlenmeyer. Tampe-o com a rolha.
Introduza a mangueirinha pelo furo maior da rolha até sua ponta chegar
ao fundo do frasco. Enfie a outra extremidade da mangueira até o fundo
da proveta. Encaixe a seringa cheia de ar no outro orifício da rolha e
aperte o êmbolo. O que irá acontecer quando você retirar a seringa da
rolha? Verifique.
86
C) Encha a proveta de água. Coloque ao lado dela um copo vazio e ligue os
dois com um chumaço de algodão (ou com um lenço de papel). O
chumaço funciona como se fosse uma mangueira. Verifique.
QUESTÕES
1) O que acontece com as superfícies do líquido em dois recipientes que se
comunicam por um tubo? Como você explica esse comportamento dos
líquidos.
2) Qual a condição física para que um líquido passe de um local para outro
através de um tubo?
3) Na situação E você empregou o fenômeno de capilaridade para transferir
água de um recipiente para outro. Como você explica este fenômeno?
Discuta sua explicação com seus colegas. Faça depois uma pesquisa
sobre este assunto.
COMPLEMENTOS
1) Considere o erlenmeyer com ± 100 ml de água, tampado com a rolha
transpassada pela mangueira, estando a ponta interna desta no fundo do
frasco e que o outro furo da rolha esteja tampado com o pino. Ou seja,
considere um frasco com um pouco de água hermeticamente tampado e
interligado com o exterior por meio de uma mangueira. Como é possível,
sem destampá-lo:
a) retirar água de dentro dele?
b) colocar mais água dentro dele?
2) Na natureza ocorre transporte de água também por um outro processo:
evaporação.
Explique os ciclos da água no nosso planeta levando-se em consideração
as três formas de transferência de líquido até aqui comentadas: diferença
de pressão, capilaridade (que também envolve pressão) e evaporação.
3) Principalmente nos seres vivos líquidos podem ser transportados por um
outro processo, por osmose. Pesquise este assunto.
87
39 – EMPUXO - I
OBJETIVOS
• Evidenciar a ação do empuxo;
• Mostrar que o empuxo depende da densidade do líquido e do volume do
corpo submerso;
• Determinar o valor do empuxo sobre um objeto.
MATERIAL
Ganchos em C
Régua
3 pinos de fixação
Barra de Al com gancho
2 massas de 100 g
Suporte com grampo fixador
2 copos com água e um terceiro com outro líquido de densidade diferente
PROBLEMATIZAÇÃO
Desequilibrar a balança montada, conforme ilustração, sem tocar nela ou
alterar a posição de cada massa ou a quantidade delas.
DESENVOLVIMENTO
Fixe o suporte na beira da mesa e nele a
régua, empregando um dos pinos. Use os
outros dois pinos nos furos abaixo da régua
para evitar que ela incline muito. Com os
ganchos pendure as massas na régua, uma
de cada lado. Posicione os ganchos de forma
que a régua fique na horizontal
Deixe os alunos testarem as soluções propostas para a questão acima.
Passe depois para os procedimentos seguintes:
A) Chegue o copo com água em uma das massas. Observe o que ocorre com
a régua e com a água no copo. Posicione novamente as massas para
restaurar o equilíbrio e anote as posições delas.
B) Coloque novamente a régua na horizontal equilibrando as duas massas de
chumbo. Mergulhe as massas nos copos com água, simultaneamente.
Troque depois um dos copos pelo terceiro copo, com outro líquido, de
densidade diferente da densidade da água. Anote o que ocorre com o
equilíbrio da régua nos dois momentos.
88
C) Coloque a régua equilibrada na
horizontal com uma das massas de
chumbo pendurada de um lado e a barra
de Al pendurada do outro lado.
Mergulhe as duas peças penduradas nos
dois copos com água, ao mesmo tempo.
Observe o que ocorre com a régua.
QUESTÕES
1) Como você explica o desequilíbrio da régua com a imersão da massa de
chumbo na água? Sua massa alterou? E o seu peso, ficou menor?
Lembre-se que o valor do peso é dado por: P = m g
2) Esta força, que passa a atuar sobre um objeto imerso em um líquido é
chamada de empuxo, E. Determine a direção e o sentido do empuxo.
3) Lembrando que nas alavancas F1 B1 = F2 B2 , calcule o valor da força de
empuxo que agia sobre a massa imersa, na situação A.
4) Quais fatores interferem na força de empuxo? Analise as situações B e C
89
40 – EMPUXO - II
OBJETIVOS
• Medir o valor do empuxo;
• Mostrar que a força de empuxo que atua sobre um objeto é igual ao peso
do líquido que ele desloca.
MATERIAL
Seringa de plástico
Béquer com alça
Suporte com grampo fixador
Dinamômetro
Pino de fixação
Barra de Al
Proveta
PROBLEMATIZAÇÃO
Prenda a barra de Al no dinamômetro e verifique o seu peso. Como
fazer para que o dinamômetro indique um valor menor sem alterar o peso da
barra?
DESENVOLVIMENTO
A) É necessário destacar com os alunos que não
alteramos a massa da barra de Al e, consequentemente,
nem o seu peso, quando introduzimos a barra na água.
Assim resolvemos a questão acima. Mas como explicar
o fato do dinamômetro passar a indicar uma força
menor para a barra submersa?
Após discutir esta questão com os alunos meça o valor
da força que passa a atuar sobre a barra quando é
mergulhada no líquido.
B) Transfira para o béquer, pendurado no dinamômetro, um volume de água
igual ao que foi deslocado pela barra de Al quando introduzida na
proveta e meça o seu peso.
QUESTÕES
1) Qual era o peso da barra de Al fora d‘água e qual era seu peso aparente
quando mergulhado nela? Como você explica essa diferença se de fato o
peso do objeto não pode ter variado já que a sua massa e a atração
gravitacional não sofreram alterações? (p = mg)
90
2) Chamando de empuxo, E, a força que atua em um corpo ao ser
mergulhado em um líquido, determine:
a) sua direção;
b) seu sentido;
c) o seu valor.
COMPLEMENTO
1) Partindo da constatação experimental que o valor do empuxo é igual ao
peso do volume de líquido que o corpo desloca e da relação que
determina densidade é possível estabelecer uma relação entre empuxo e
densidade do líquido deslocado. Assim:
E = P = mL g
sendo P o peso do líquido deslocado e mL a sua
logo
mL = VLρL ,
massa. Sua densidade será ρL = mL / VL ,
substituindo na 1.º equação, vem:
E = ρL VL g
2) Empregue a relação acima e determine qual seria o empuxo
experimentado pela massa de chumbo se a água fosse substituída por:
a) gasolina;
b) mercúrio.
Consulte uma tabela de densidades.
91
41 – ONDAS ESTACIONÁRIAS (TRANSVERSAIS)
OBJETIVOS
• Obter ondas estacionárias produzidas em uma corda vibrante;
• Medir as grandezas características de uma onda;
• Evidenciar a correspondência entre amplitude da onda e energia; entre
tensão na corda e comprimento de onda;
• Mostrar a polarização de uma onda.
MATERIAL
Suporte com grampo fixador
Parafuso com arruela e porca
Gerador de ondas com anteparo
Massas de 100 g
Fonte de tensão
Bobina
PROBLEMATIZAÇÃO
Queime com um fósforo (uma vela ou um isqueiro) a corda que está
vibrando, na região mais larga da onda (ventre).
DESENVOLVIMENTO
Prenda o suporte na beirada de uma mesa e fixe nele o
gerador de ondas e o anteparo preto, empregando o
parafuso com “borboleta”. Gire a lâmina do gerador de
ondas e encaixe uma bobina no tubo metálico, deixando
os fios dela para baixo. Pendure uma massa de 100g no
outro furo do anteparo, para mantê-lo esticado. Pendure
outra massa de 100g no cordão do gerador de ondas.
Ligue os terminais da bobina (isole o do meio) à tensão
de 12V alternada. À medida que você for variando, de
vagar, o comprimento da corda, verá formar uma onda
estacionária. Você poderá variar a configuração dela de
½ em ½ comprimento de onda.
A) Obtenha ondas de ½ λ, 1λ, 1,5λ, 2λ, etc. e verifique que as distâncias
entre dois nós são mantidas constantes.
B) Ajuste o aparelho para obter uma onda completa bem estabilizada e a
seguir acrescente mais três massas iguais à outra. Se necessário,
promova um pequeno ajuste para estabilizar uma nova onda de
comprimento de onda duas vezes maior (formará meia onda).
92
C) Ajuste o aparelho para obter uma onda completa. Avalie a amplitude do
ventre da onda, a seguir, dobre a tensão na bobina (24V AC). Você
poderá mostrar que a amplitude depende da energia transportada pela
onda.
Obs: Ligada a 24V AC a bobina aquece muito, seja breve.
D) Com o gerador fornecendo meia onda peça a algum aluno para queimar a
corda na região do ventre da onda.
E) Obtenha uma onda completa bem estabilizada e chegue um objeto liso na
região de um ventre e terá ondas em apenas um plano.
QUESTÕES
1) Como você explica a formação das ondas que você obteve? Localize, na
situação A, os elementos característicos de uma onda: nó, ventre,
comprimento de onda, freqüência e velocidade de propagação.
2) Como você explica o fato do fósforo apagar ao aproximá-lo de um ventre
da onda? Como você explica a formação da figura espacial (3dimensões)
nas ondas observadas durante os experimentos realizados?
3) Em que plano a onda polarizada, em E, teve amplitude máxima? Explique
sua causa.
COMPLEMENTOS
1) Você deve ter observado que a distância entre dois nós corresponde a
metade do comprimento de uma onda completa (λ) e que a amplitude (A)
dos ventres depende da intensidade com que a lâmina vibra. A vibração
da lâmina decorre da vibração do campo magnético gerado pela bobina.
Este campo varia com a mesma freqüência (f) de oscilação da tensão (f =
60 Hz). Quando o sistema não está bem ajustado a lâmina não vibra na
mesma freqüência do campo e não entra em ressonância. Recebendo
pouca energia do sistema ela vibra com baixa intensidade. Sabendo-se
que a velocidade (v) de propagação de uma onda é dada por v = λf,
determine a velocidade de propagação das ondas que você obteve neste
experimento.
2) Pelos resultados da questão anterior você deverá ter observado que a
velocidade de propagação de uma onda, em uma corda vibrante, depende
da tensão à qual está sujeita. Esta velocidade é dada pela expressão:
V=
T
μ
onde μ é a massa da corda por unidade de comprimento e Τ a
tensão na corda. Verifique se os resultados obtidos em B.
93
42 – ONDAS ESTACIONÁRIAS (LONGITUDINAIS)
OBJETIVOS
• Obter ondas estacionárias longitudinais em uma mola oscilante;
• Medir as grandezas características de uma onda.
MATERIAL
Suporte com grampo fixador
Gerador de ondas com anteparo
Massas de 100 g
Fonte de tensão
Bobina
Parafuso
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer uma tirana de papel subir ou descer por uma mola na vertical que
vibra longitudinalmente.
DESENVOLVIMENTO
Fixar o suporte na lateral da mesa e encaixar, no
seu topo, o parafuso, prendendo o gerador de ondas e
o anteparo, junto. Gire a lâmina do gerador de ondas
e encaixe a bobina no tubo metálico. Pendure uma
massa de 100g no anteparo, para mantê-lo esticado.
Amarre a mola na ponta do cordão do gerador. Torça
o eixo com o cordão até curvar, ligeiramente, a
lâmina para cima. Pendure 3 massas na extremidade
livre da mola. Conecte a bobina (isole o fio do meio)
na fonte de tensão, em 12V AC.
Ligue o aparelho, observando as alterações
que ocorrem na mola. Meça o comprimento da
onda longitudinal que se propaga na mola.
Experimente cortar uma tirinha de papel ± (10 x
0,5)cm, dobrá-la em U e enfiá-la através das
espiras da mola. É possível ajustar a tirinha de
forma que ela suba ou desça, sozinha, girando
em torno da mola.
94
QUESTÕES
1) Quantos nós e quantos ventres você contou? Como você explica o
aparecimento deles?
2) Experimente correr, devagarzinho, um lápis encostado na mola e
observe o que ocorre quando ele passa por uma região de nó e depois por
uma de ventre.
COMPLEMENTO
Lembrando-se de que v = λf e que a freqüência de vibração da mola é igual à
freqüência da rede elétrica (60Hz), determine a velocidade de propagação da
onda observada neste experimento.
95
43 – DILATAÇÃO LINEAR
OBJETIVOS
• Verificar a dependência da dilatação linear com o comprimento inicial da
barra e com a variação da temperatura;
• Determinar o coeficiente de dilatação do alumínio.
MATERIAL
Erlenmeyer com rolha furada
Pino de fixação
Tubo de 3/16”
Termômetro
Fogareiro
Mangueira de látex
PROBELMATIZAÇÃO
Quando aquecer o tubo do bidilatômetro as duas agulhas comportarão da
mesma forma? Faça suas previsões.
DESENVOLVIMENTO
Faça a montagem conforme ilustração.
Coloque no erlenmeyer ± 30ml de água. Embeba a
estopa do fogareiro com ± 20ml de álcool,
empregando
uma
seringa
para
evitar
derramamento. Tampe o furo menor da rolha do
erlenmeyer com o pino e coloque o tubo no furo
maior. Ligue este tubo ao tubo do bidilatômetro
com a mangueira.
Verifique se as agulhas podem girar livremente e depois posicione cada
uma no zero de sua escala. Introduza o termômetro no tubo do bidilatômetro,
verificando a temperatura inicial do tubo. Anote esta temperatura. Acenda o
fogareiro. Verifique antes se não há nenhum risco de acidente.
Enquanto a água aquece até produzir vapor para aquecer o tubo do
bidilatômetro discuta com os alunos suas previsões. Acompanhe o
movimento dos ponteiros quando começar a passar vapor pelo tubo.
Depois que os ponteiros pararem de subir leia a temperatura indicada no
termômetro e os valores indicados pelas agulhas do aparelho. Anote estes
valores. Apague o fogo e acompanhe as variações das posições das agulhas
com a queda da temperatura do tubo.
QUESTÕES
1) Relate o que você observou.
96
2) Como você explica a ascensão dos ponteiros?Era de se esperar que os
ponteiros subissem igualmente? Explique?
3) Como você imagina as mudanças que ocorrem no interior do material
com a variação da sua temperatura?
4) Você acha que houve dilatação apenas no comprimento do tubo?Comente.
5) Considerando a fórmula ∆L = Lo α ∆t, que permite determinar a variação
do comprimento de uma barra (∆L) conhecendo-se seu comprimento
inicial (Lo), o coeficiente de dilatação linear do material da peça (α) e a
variação de temperatura experimentada (∆t), determine o coeficiente de
dilatação linear do alumínio (αAl).
6) Sabendo-se que o valor tabelado de αAl = 23, 8 x 10-6 oC-1 verifique o erro
percentual contido no valor de αAl que você determinou. Comente quais
foram as causas prováveis de erros neste experimento.
COMPLEMENTOS
1) A física postula que os metais são constituídos por átomos interligados
por forças eletromagnéticas, formando uma estrutura bem definida,
chamada rede cristalina, e que os átomos oscilam nesta rede com
intensidade que varia com a temperatura. Explica-se a dilatação como
conseqüência da ampliação do espaço ocupado por cada átomo com o
aumento da intensidade de oscilação deles devido ao aumento da
temperatura.
a) Imagine que os átomos do alumínio fossem pequenas esferas que
estivessem presas entre si por pequenas molas, formando uma massa
oscilante. O que aconteceria com o comprimento da malha se a amplitude
de oscilação das esferas fosse aumentada?
b) O modelo imaginado acima por você serviria para explicar os
fenômenos observados no experimento realizado? Comente.
2) Construa o gráfico L x t para o alumínio. Neste caso deixe o aparelho
ligado ao vapor até atingir a temperatura máxima. Apague o fogo e
acompanhe o resfriamento do tubo medindo sua temperatura e o
comprimento total do tubo para cada 10oC de queda na temperatura.
Preencha a tabela abaixo e com ela construa o gráfico.
t em °C
∆L em mm
L = (500 + ∆L) em mm
Verifique, através do gráfico, se o coeficiente de dilatação linear do
alumínio (αAl ) manteve-se constante dentro da faixa de temperatura que
você considerou.
97
44 - DILATAÇÃO SUPERFICIAL
OBJETIVO
• Verificar o que ocorre com um orifício em uma chapa metálica quando
esta é aquecida.
MATERIAL
Fogareiro com trempe
Placa de Al com furo
Calota metálica
Pinça de madeira
Copo com água
PROBLEMATIZAÇÃO
Faça sua previsão antes de realizar o experimento.
DESENVOLVIMENTO
Utilizando uma seringa coloque
15ml de álcool no fogareiro. Encaixe a
placa com furo sobre a trempe. Antes
de acender o fogo certifique-se que a
calota não passa pelo furo da placa.
Experimente novamente depois que a chapa estiver bem aquecida,
evitando que a calota aqueça também. Se necessário esfrie a calota em um
copo com água. Enquanto a chapa aquece discuta as previsões feitas pelos
alunos.
CUIDADOS
• Não deixe derramar álcool fora da estopa do fogareiro, caso derrame
enxugue-o antes de acender o fogo.
• Para remover a chapa use a pinça de madeira.
• Evite que a calota aqueça muito para não danificar o seu cabo isolante.
• Evite acidentes.
QUESTÕES
1) O que você observou? Era o que você esperava acontecer?
2) O que lhe permite concluir o fato da calota passar pelo furo quando a
chapa está aquecida? Em que direção e sentido ocorre a dilatação da
superfície?
98
Obs: Caso você não obtenha êxito, refaça o experimento após lixar as
paredes do furo da placa de Al com cuidado para não aumentar muito o
furo. A calota não poderá passar pelo furo estando fria a chapa com o furo.
COMPLEMENTOS
1) O fato do orifício da chapa aumentar com a dilatação está coerente com a
teoria de que os átomos da chapa oscilam com maior amplitude com o
aumento da temperatura? Explique, fazendo um desenho esquemático.
2) Considerando os resultados deste experimento explique porque:
a) o fundo das panelas de alumínio estufam com o uso;
b) os revestimentos cerâmicos são acentados com espaços livres entre as
peças;
c) copos de vidro costumam partir quando se coloca líquido muito quente
neles.
99
45 - DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
OBJETIVOS
• Medir a dilatação volumétrica da água (ou outro líquido);
• Construir o gráfico V x t para a água (ou outro líquido);
• Determinar o coeficiente de dilatação da água.
MATERIAL
Fogareiro com trempe
Erlenmeyer com rolha furada
Corante (anilina ou outro qualquer)
Bequer
Termômetro
Seringa de 20 ml
PROBLEMATIZAÇÃO
Por que forma bolha de ar no frasco mesmo antes da água ferver?
DESENVOLVIMENTO
Com a seringa coloque ±15ml de álcool no
queimador do fogareiro. Encha o erlenmeyer
completamente com água colorida, medindo este
volume. Tampe o frasco com a rolha. Encaixe a
seringa, sem o êmbolo, no orifício menor da rolha.
Introduza o termômetro no interior do frasco
através do outro orifício da rolha até que comece a
sair água para a seringa. Coloque o conjunto no
fogareiro. Leia a temperatura indicada pelo
termômetro e marque a posição da água na seringa.
Acenda o fogo (verifique antes se não há risco de acidente). Anote os
valores da temperatura e da variação do volume da água a cada acréscimo de
10oC na temperatura da água. Apague o fogo quando a temperatura atingir
70oC para evitar o risco de queimadura, em caso de acidente.
QUESTÕES
1) Com os dados anotados preencha um quadro contendo:
100
t em (o C)
∆t = t - to em (o C)
∆V em (ml)
V = Vo + ∆V em (ml)
V (ml)
e construa o gráfico
t (oC)
0
2) Considerando o seu gráfico e a equação: ∆V = Vo ‫∆ ﻻ‬t, faça um
comentário sobre o valor do coeficiente de dilatação volumétrico da água
no intervalo de temperatura considerado.
COMPLEMENTO
Pela equação ∆V = Vo ‫∆ ﻻ‬t, o coeficiente de dilatação volumétrico (‫)ﻻ‬
pode ser determinado a partir do gráfico V x t, nos intervalos que ele for
constante (coincide com uma reta). Considere o seu gráfico e determine, a
partir dele, o coeficiente de dilatação da água.
V(ml)
V
V0
O
t0
t
101
t (oC)
46 - TERMOPAR
OBJETIVOS
• Construir um termopar;
• Verificar a variação da temperatura de uma chama com um termopar.
MATERIAL
Fio de cobre
Fogareiro
Fio de níquel-cromo
Multímetro com cabos de teste
PROBLEMATIZAÇÃO
Obtemos calor através de um fio de resistência percorrido por uma corrente
elétrica (a energia elétrica é transformada em energia térmica). Como fazer o
contrário, obter eletricidade a partir do aquecimento de um condutor
elétrico?
DESENVOLVIMENTO
Coloque o material acima à disposição dos
alunos para que tentem solucionar o desafio.
Depois de algum tempo passe para o
procedimento seguinte. Lixe ou raspe ± 10cm de
uma das pontas do fio de cobre para retirar o
esmalte que o reveste. Enrole a parte descoberta
do fio de cobre com um pedaço de fio de níquelcromo. Ligue as extremidades livres dos dois
fios aos cabos de teste do multímetro (não se
esqueça de raspar antes a ponta do fio de cobre).
Coloque a chave do multímetro na escala de micro ampère.
Leve a parte enrolada dos dois fios em diferentes regiões da chama
enquanto observa a leitura da corrente fornecida pelo multímetro. (Para
evitar acidentes, tomar cuidado ao colocar álcool e fogo no fogareiro.)
QUESTÕES
1) O aquecimento da junção dos dois metais faz aparecer uma corrente
elétrica, indicada no aparelho. Porque o valor indicado no aparelho muda
quando se muda a posição da junção dos arames na região da chama?
102
2) Faça um desenho ilustrando a chama e demarque nele as regiões
correspondentes àquelas nas quais você constatou temperaturas:
a) mais altas;
b) mais baixas;
c) medianas
COMPLEMENTOS
1) Você construiu um termopar com os dois fios e empregou o multímetro
para determinar a corrente gerada por ele. Faça uma pesquisa para você
conhecer melhor este fenômeno e algumas de suas aplicações.
Experimente construir termopares com outros materiais e verifique a
eficiência deles.
2) Determine uma maneira de fazer a conversão da leitura da corrente
gerada pelo termopar em temperatura.
103
47 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO TÉRMICA
OBJETIVO
• Verificar a transferência de calor por condução térmica.
MATERIAL
Copo com água
Suporte com grampo fixador
Fogareiro
Tubo de 1/4”
com 40 cm
Seringa
Vela
PROBLEMATIZAÇÃO
Discuta: “ Sólidos e líquidos não queimam, mas sim os seus apores.”
DESENVOLVIMENTO
Discuta no final a afirmação acima. Prenda o suporte na lateral da mesa.
Encaixe o tubo em um furo do suporte deixando que avance uns 10 cm para
o outro lado. Coloque o fogareiro debaixo do lado menor do tubo. Pingue
parafina da vela a distâncias iguais (5 em 5 cm) sobre o lado maior do tubo.
Cole nos pingos de parafina clipes (ou percevejos, preguinhos, etc.). Observe
o que ocorre com os clipes quando o tubo é aquecido pelo fogareiro (Para
evitar acidentes, tomar cuidado ao colocar álcool e fogo no fogareiro).
Após observar a queda dos clips, girar o
suporte de forma que o tubo fique bem inclinado
e com a ponta bem no meio da chama e próximo
à estopa do fogareiro. Acenda os vapores de
álcool na outra extremidade do tubo (não pode
estar ventando). Após o experimento, resfrie o
tubo inserindo água nele com a seringa e
recolhendo a água do outro lado no copo.
QUESTÕES
1) Como você explica o fato dos objetos soltarem da parafina em seqüência?
2) A seqüência na qual os pingos de parafina foram derretidos lhe permite
tirar alguma conclusão sobre a propagação de calor no tubo?
COMPLEMENTO
O processo pelo qual o calor se transmite através de um corpo é chamado
de condução. Nele, as partes mais próximas da fonte de calor transferem o
calor à parte seguinte, esta à consecutiva e assim por diante. Assim, o calor
flui da fonte quente para a fria de forma que o corpo apresenta um gradiente
de temperatura. O que observaríamos se o tubo fosse muito comprido?
104
48 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CORRENTES DE
CONVECÇÃO - I
OBJETIVO
• Verificar a ascensão do ar aquecido.
MATERIAL
Suporte com grampo fixador
Fogareiro
Hélice de alumínio
Pinça de madeira
Vareta em L, de 15cm
PROBLEMATIZAÇÃO
Como fazer para a chama de uma vela ficar invertida?
DESENVOLVIMENTO
Fixe o suporte na lateral da mesa. Encaixe a
vareta em L em um furo próximo ao meio dele.
Adapte a hélice de alumínio na ponta da vareta de
forma que possa girar livremente. Coloque o
fogareiro aceso abaixo da hélice e observe o que
ocorre com ela. (Para evitar acidentes, tomar
cuidado ao colocar álcool e fogo no fogareiro.)
Obs.: as pazinhas da hélice deverão estar
ligeiramente torcidas. Não pode ter corrente de ar
no local. Use a pinça para remover a hélice, se
necessário.
QUESTÕES
1) Porque a hélice se movimentou?
2) O que ocorre com a densidade das camadas de ar que se aquecem?
3) Você consegue explicar a formação de ventos a partir desta experiência?
COMPLEMENTO
Quando um líquido ou gás se aquece podemos observar o seu
movimento, formando as chamadas correntes de convecção. Estas correntes
só ocorrem quando o aquecimento é feito pela parte mais baixa. Por este
motivo o refrigerador da geladeira fica na parte superior da mesma e janelas
de ventilação são colocadas na parte mais alta das paredes.
105
49 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CORRENTES DE
CONVECÇÃO - II
OBJETIVOS
• Mostrar a movimentação no interior de um líquido aquecido;
• Mostrar que a transferência de calor nos fluídos é mais intensa quando se
formam as correntes de convecção.
MATERIAL
Tubo de ¼” com 40cm
Pinça de madeira
Placa de Al com furo
Erlenmeyer com rolha
Suporte com grampo fixador
Fogareiro
Serragem (ou chá, ou refresco granulado “Q.Suco”)
Tubo de 1/8”
Termômetro
Tubo de ensaio
PROBLEMATIZAÇÃO
Para que servem as chaminés?
DESENVOLVIMENTO
A)
Coloque o termômetro
dentro do tubo de ensaio e
encha este de água. Acenda o
fogareiro.
(Para
evitar
acidentes, tomar cuidado ao
colocar álcool e fogo no
fogareiro.) Segure o tubo por
baixo e leve a parte superior
dele ao fogo.
Acompanhe, através do termômetro, a
elevação da temperatura no interior do
tubo até a água, na região aquecida,
entrar em ebulição.
B) Repita novamente a situação A,
porém, aquecendo o fundo do tubo.
Segure este com a pinça de madeira.
106
C) Coloque aproximadamente 250ml de água no erlenmeyer e misture nele
um pouco de serragem (ou chá; se for usar suco granulado não o misture,
deixe-o depositado no fundo do erlenmeyer). Encaixe o erlenmeyer na
trempe e acenda o fogareiro – esteja atento para evitar acidentes! Coloque
a placa de Al com o furo sobre o queimador do fogareiro para que a
chama saia somente pelo furo da placa e incida fora da região central do
fundo do frasco. Observe a movimentação das partículas na água (ou da
cor) enquanto ela vai sendo aquecida.
D) Aproveite a situação C e tampe o erlenmeyer com a rolha de borracha
após ter encaixado nela os dois tubos. O tubo de ¼” ficará apenas com
sua ponta enfiada na rolha e o tubo mais fino deverá ser introduzido até
um pouco abaixo da superfície da água (± 3cm). Observe a entrada de ar
pelo tubo fino através das borbulhas na sua boca submersa quando a água
entra em ebulição.
Esta experimentação permitirá você abordar a função das chaminés:
aspirar ar para o interior das câmaras de combustão e transportar fumaça
para fora.
QUESTÕES
1) Comente o que você observou em cada uma das situações exploradas.
2) Explique as diferenças que você observou nas variações de temperatura
no tubo de ensaio nas situações A e B.
3) Como você explica a circulação das partículas (ou da cor) na água no
interior do erlenmeyer?
4) Explique por que o ar entra por um dos tubos enquanto o vapor sai pelo
outro tubo, na situação D.
COMPLEMENTOS
1) Como os ventos são formados na atmosfera?
2) Verifique se você conseguiria inverter o sentido da circulação de ar e
vapor, na situação D, entre os dois tubos.
107
50 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO
OBJETIVOS
• Mostrar que o calor se propaga por radiação
• Mostrar que a cor da superfície afeta a absorção de calor.
MATERIAL
Fonte de tensão
Gominha
Esparadrapo ou fita crepe
Bloco de madeira
Caneta para retro-projetor (ou similar)
Fonte de luz
Termômetro
PROBLEMATIZAÇÃO
Como o Sol nos aquece se entre ele e a Terra existe vácuo?
DESENVOLVIMENTO
A) Cubra o bulbo do termômetro com uma tira de esparadrapo (ou fita
crepe). Ponha o bloco de madeira em pé e prenda nele o termômetro com
a gominha. Ligue a fonte de luz, em 24V, incidindo luz na região coberta
do termômetro. Observe a elevação da temperatura durante 3 minutos.
B) Repita a situação A após pintar de preto a cobertura do bulbo do
termômetro.
QUESTÕES
1) Como você explica as temperaturas diferentes nas situações A e B?
2) Baseado no observado nesta experiência você consegue explicar porque
se deve usar roupas brancas no verão e pretas no inverno?
COMPLEMENTO
A forma pela qual o calor se transfere da fonte de luz para os objetos é
por radiação. Este processo não requer nenhum meio material para conduzir
o calor. Depende do tipo de luz e da superfície receptora. Faça uma pesquisa
sobre aquecedores solares.
108
51 - TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DA ÁGUA
OBJETIVOS
• Verificar a temperatura de ebulição da água.
• Mostrar que a temperatura de ebulição depende da pressão.
MATERIAL
Termômetro
Erlenmeyer com rolha
Seringa de 20ml
Pino de fixação
Fogareiro
PROBLEMATIZAÇÃO
Temperatura mede calor???
DESENVOLVIMENTO
A) Coloque cerca de 100 ml de água no interior
do erlenmeyer e tampe-o com a rolha de
borracha. Introduza o termômetro no furo
maior da rolha de forma que seu bulbo fique
bem na superfície da água. Encaixe o
erlenmeyer na trempe do fogareiro. Acenda o
fogareiro. (Para evitar acidentes, tomar
cuidado ao colocar álcool e fogo no fogareiro.)
Observe a mudança da temperatura através do
termômetro durante o aquecimento e durante
algum tempo depois da água ferver.
B) Mantenha a ponta de um lápis pressionada no furo menor da tampa
durante um certo intervalo de tempo. (Espere a temperatura subir no
máximo 5oC. Se você demorar demais, a pressão no interior do
erlenmeyer se elevará muito, podendo fazer com que a rolha salte
com o risco, inclusive, de você se queimar.)
C) Apague o fogareiro. Vede o furo menor da rolha com o pino e observe
o menor valor da temperatura para o qual a água ainda continua em
ebulição.
D) Repita a situação C, substituindo o lápis pela seringa e com ela
aumentando e diminuindo a pressão no interior do Erlenmeyer (faça isto
com cuidado, segurando o corpo da seringa).
109
QUESTÕES
1) Você deve ter ouvido dizer que a água ferve a 100oC ao nível do mar. Na
situação A, a água ferveu de fato a 100 º C? Como é possível fazer a
água ferver a temperatura de 100ºC?
2) Use suas observações referentes a estes experimentos para explicar
como a pressão influencia no ponto de ebulição da água. Será que o
mesmo ocorreria com outro líquido?
3) Durante a ebulição o fogareiro continuava aquecendo a água (situação
A). Transferia energia para ela, ou seja, fornecia calor. Porém a
temperatura não variava. Com este dado avalie sua resposta à questão
problematizadora e apresente diferenças entre calor e temperatura.
COMPLEMENTOS
1) A partir da situação B, como você explica a utilização de panelas de
pressão para cozimento mais rápido dos alimentos?
2) Se a situação A fosse realizada em uma praia marinha e no Pico da
Bandeira, em qual destes locais o termômetro indicaria maior
temperatura? Em qual destes locais um ovo seria cozido mais
rapidamente?
110
52 - DESTILAÇÃO
OBJETIVOS
• Separar as substâncias de uma solução através da destilação;
• Destacar aplicações práticas e industriais da destilação.
MATERIAL
Fogareiro
Mangueiras de 1/8”e 3/8”
Caneco de ± 1 litro com água
Pino de fixação
Béquer
Erlenmeyer com rolha
Sulfato de cobre (ou outro corante)
PROBLEMATIZAÇÃO
Como você faria para separar as seguintes misturas:
a) Arruelas miúdas de ferro e latão?
d) Sal e água?
b) Sal e areia fina?
e) Gases do ar atmosférico?
c) Farinha de trigo e areia?
DESENVOLVIMENTO
Comente com os alunos as
sugestões que eles apresentarem para a
questão problematizadora. Passe depois
para os procedimentos seguintes:
Encaixe o erlenmeyer na trempe do
fogareiro colocando cerca de 100 ml de
água com um pouco de sulfato de cobre
em seu interior. (A mistura deve
apresentar uma coloração azulada bem
nítida)
Tampe o erlenmeyer com a rolha e vede o furo menor da rolha com
o pino. Introduza no outro furo da rolha a mangueira de 1/8”. Emende
as mangueiras. Dê algumas voltas nela e introduza-a no caneco
contendo água. (As voltas devem permanecer imersas na água).
Coloque o béquer abaixo da extremidade livre da mangueira. Acenda o
fogareiro (tome cuidado para evitar acidentes, esteja atento ao lidar com
álcool e fogo). Aguarde alguns minutos após a água do erlenmeyer entrar em
ebulição e observe o que ocorre.
111
QUESTÕES
1) Tente explicar o que você observou.
2) A água se vaporiza à mesma temperatura do sulfato de cobre? Explique
3) Para que se possa separar substâncias de uma solução, o que se pode
afirmar sobre as temperaturas de vaporização do soluto e do solvente?
4) Você consegue separar, por este processo, uma mistura de álcool e água?
Como? (Consulte uma tabela de temperaturas de ebulição.)
COMPLEMENTO
Para uma dada pressão, cada substância possui uma temperatura
específica tanto para a fusão quanto para a ebulição.
Faça uma pesquisa sobre destiladores e destilação fracionada.
112
3 - TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
OBJETIVOS
• Mostrar um gás expandindo-se com aumento da temperatura a uma
pressão constante;
• Analisar a transformação isobárica;
• Construir o gráfico V x T
MATERIAL
Seringa de vidro
Erlenmeyer com rolha
Fogareiro
Bequer
Termômetro
Gominha
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer o êmbolo da seringa subir sem tocar nele (situação A).
DESENVOLVIMENTO
Passe o conjunto da montagem A (descrita abaixo)
para os alunos que quiserem resolver o desafio acima.
O professor poderá discutir os aspectos físicos e
biológicos deste fato, uma vez que a elevação do
êmbolo depende da temperatura das mãos da pessoa
que segura o erlenmeyer. A temperatura das mãos
depende, dentre outras coisas, do nível de adrenalina
no sangue da pessoa, e este varia com o grau de
ansiedade, raiva, medo, etc.
A) Limpe bem o êmbolo e a luva de vidro da seringa com um lenço limpo e
seco para evitar atrito entre eles. Tampe o erlenmeyer com a rolha
introduzindo nos seus furos o bico da seringa e o termômetro. Prenda-os
entre si com uma gominha. Envolva o erlenmeyer com as mãos e observe o
êmbolo subir.
B) Arrolhe o erlenmeyer completamente cheio de água deixando o excesso
vazar pelos furos. Derrame 100ml da água do seu interior. Introduza o
termômetro pelo furo maior da rolha até tocar na superfície da água. Encaixe
a seringa (bem limpa) no outro furo e ponha o conjunto para aquecer no
fogareiro. (Muito cuidado ao lidar com álcool e fogo, para evitar acidentes.)
Para cada variação de 20C leia a variação de volume acusada na seringa.
113
QUESTÕES
1) Preencha um quadro semelhante ao que segue em seu caderno, para a
situação B:
Volume de ar (cm3)
100 +
100 +
Temperatura (K)
V/T
=
=
2) Construa o gráfico V x T com os dados do quadro.
3) Verifique se a relação V/T manteve constante.
COMPLEMENTO
Sendo V/T constante (V/T = K), temos V = KT. Com base no gráfico
construído discuta a influência da pressão na relação acima. (Se aumentasse
o peso do êmbolo, por exemplo).
114
54 - TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA
OBJETIVOS
• Mostrar o aumento da pressão de uma amostra gasosa com o aumento da
temperatura, mantido constante o volume;
• Analisar uma transformação isovolumétrica;
MATERIAL
Dinamômetro
Erlenmeyer com rolha
Massa de modelar (ou similar)
Massa de 100g
Gominha
Seringa de vidro
Fogareiro
Béquer
PROBLEMATIZAÇÃO
Por que o milho de pipoca explode, virando pipoca, quando aquecido?
DESENVOLVIMENTO
Enquanto prepara a montagem discuta a questão
acima com os alunos.
Encha o frasco com água e derrame 100ml, que
será o volume inicial do gás com o qual iremos
trabalhar. Tampe o erlenmeyer com a rolha de
borracha e introduza o termômetro, até encostar-se à
água. Leia a temperatura e anote. Limpe bem o êmbolo
e a luva da seringa de vidro com um lenço seco e
limpo para que ele possa deslizar com facilidade na
luva, sem atrito.
Leve o êmbolo até o fundo da luva da seringa e encaixe o bico dela no
outro furo da rolha. Una a seringa ao termômetro com a gominha. Acenda o
fogareiro. (Tome cuidado ao lidar com álcool e fogo. Evite acidentes).
Quando o êmbolo começar a se movimentar prenda a massa de 100g
sobre o êmbolo com a massa de modelar e leia a temperatura do termômetro
anotando-a. Quando o êmbolo começar a se movimentar novamente leia o
valor da temperatura de novo.
Atenção: tome cuidado para a massa de 100g não cair e quebrar o
frasco erlenmeyer!
115
QUESTÕES
1) Calcule as pressões correspondentes às duas situações para as quais você
anotou o valor da temperatura. Lembre-se que P =
F
. Para calcular a
A
força F em cada caso, é necessário medir o peso do êmbolo e depois o
peso dele com a massa. (Isto pode ser feito com o dinamômetro).
A área do êmbolo poderá ser calculada através da expressão A =
πD 2
4
se você medir o diâmetro dele.
2) Transforme as temperaturas anotadas em K. Para isto, basta adicionar
273oC às temperaturas lidas.
3) Divida o valor da pressão pelo valor da temperatura (em K) e verifique se
são iguais. Em quais momentos você cometeu maior margem de erro na
obtenção dos resultados?
116
55 - TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA
OBJETIVO
• Analisar uma transformação isotérmica.
MATERIAL
Termômetro
Erlenmeyer com rolha
Seringa de vidro
Gominha
PROBLEMATIZAÇÃO
Como deverá ser a movimentação das moléculas de um gás no interior de
um balão de borracha cheio? Como suas moléculas esticam a borracha?
DESENVOLVIMENTO
Enquanto você prepara a montagem para o
experimento, peça aos alunos que manifestem suas idéias
sobre o comportamento das moléculas constituintes de
um gás.
Encha o erlenmeyer com água e tampe-o com a rolha.
Deixe sair o excesso de água. Retire agora 100ml de água
do frasco. Limpe bem a luva da seringa com um lenço
limpo e seco. Enfie o bico da seringa no furo menor da
rolha e o termômetro no outro, até tocar na água. Una os
dois com uma gominha. Coloque o êmbolo na luva da
seringa e aperte-o.
A temperatura permanecerá constante e o volume irá
diminuindo à medida que você for aumentando a pressão.
QUESTÕES
1) O que deverá ocorrer com as moléculas do gás para seu volume diminuir?
2) Se você solta o êmbolo após a sua compressão. Ele volta à posição
inicial? Verifique?
3) Que força realiza trabalho na compressão do gás. E na expansão do gás
quem faz a força?
COMPLEMENTOS
1) Qual a tendência das moléculas de um gás?
2) Porque um perfume pode ser sentido à distância do frasco que o contém
ou da pessoa que faz uso dele?
117
56 - CALORIMETRIA
OBJETIVOS
• Determinar a capacidade térmica de um calorímetro.
• Determinar o calor específico de líquidos e sólidos em amostras
granuladas.
MATERIAL
Termômetro
Erlenmeyer
Suporte com grampo fixador
Gominha
Bequer
Feltro
Fogareiro
Pino de fixação
Dinamômetro
Observação: Providenciar amostras sólidas granuladas (rebites de alumínio ou cobre,
preguinhos, chumbo de caça, etc. ± 200g de cada)
PROBLEMATIZAÇÃO
Massas iguais (digamos 1kg) de substâncias diferentes (por exemplo:
água, ferro e chumbo) se forem colocadas em um forno, a 100oC, durante 3
minutos, atingirão temperaturas iguais? Se quisermos que elas sofram uma
mesma variação de temperatura (por exemplo, passar de 30 para 40oC)
teremos que fornecer uma mesma quantidade de calor a elas?
DESENVOLVIMENTO
Discuta as opiniões dos alunos sobre as
questões acima. Depois prenda o suporte de
madeira na lateral da mesa. Coloque o pino de
1/8”∅ no furo mais alto dele. Pendure no pino
o dinamômetro e neste o béquer. Meça 100g da
amostra no dinamômetro empregando a
equivalência: 1N ≡ 100g aproximadamente.
Introduza o termômetro entre os rebites e
verifique a temperatura deles.
Encaixe o erlenmeyer contendo cerca de 200ml (equiv. a 200g) de água
na trempe do fogareiro. Ponha álcool no fogareiro e acenda o fogo (verifique
antes se pode fazê-lo com segurança). Aguarde até que a temperatura da
água atinja um valor em torno de 45oC a 50oC.
118
Apague o fogareiro e coloque o erlenmeyer sobre o feltro em cima da
mesa. Prenda as extremidades do feltro ao gargalo do erlenmeyer com uma
gominha procurando cobri-lo o máximo possível. Leia então a temperatura
da água e anote-a. Despeje os 100g da amostra no interior do erlenmeyer.
Balance levemente o erlenmeyer para que a temperatura da água se
homogeneíze e meça novamente o seu valor após ± 15seg.
QUESTÕES
1) Admitindo que o calor cedido pela água seja transferido ao material da
amostra, determine a quantidade de calor transferido (∆Q = mc∆t,
onde: m - massa da água,
c - calor específico da água = 1 cal/goC e
∆t - variação de temperatura da água).
2) Considere o calor recebido pela amostra igual ao valor encontrado no item
anterior e determine o calor específico do material da amostra através da
expressão ∆Q = mc∆t com m - massa da amostra e ∆t - variação de
temperatura da amostra.
3) Compare o valor obtido por você na questão 2 com o valor fornecido em
alguma tabela de calores específicos. O resultado é muito diferente? A
que você atribui esta diferença?
4) Repita o experimento usando amostras de outros materiais e determine os
calores específicos destes materiais.
COMPLEMENTOS
1) Além de termos usado uma balança de pouca precisão deixamos de
considerar que o recipiente em que a água se encontrava (calorímetro)
também participava das trocas de calor.Como o calorímetro se encontrava
em equilíbrio térmico com a água, ele também deverá ter cedido calor a
amostra. Você pode determinar a capacidade térmica de seu calorímetro
(quantidade de calor necessária para elevar de 1oC a temperatura do
calorímetro) usando o valor tabelado do calor específico do material da sua
amostra. Admitindo que o calor cedido pela água somado ao calor cedido
pelo calorímetro seja igual ao recebido pela amostra. Para o calor cedido
pelo calorímetro use ∆Q=C∆t, onde C é a capacidade térmica do calorímetro
e ∆t a sua variação de temperatura que é igual à sofrida pela água.
2) Você deve ter observado que o valor encontrado para a capacidade
térmica do calorímetro é muito pequeno. Assim, você pode desprezar a
capacidade térmica do calorímetro
o que significa dizer que ele
praticamente não participa das trocas de calor no seu interior. Os dados
encontrados por você confirmam esta afirmação?
119
57 - CALOR E TRABALHO
OBJETIVOS
• Apresentar situações nas quais calor realiza trabalho.
• Discutir as condições para que calor realize trabalho.
MATERIAL
Fogareiro
Erlenmeyer com rolha
Tubo e pino de 1/8”
Suporte com grampo fixador
Seringa de vidro
Vareta em L de 15cm
Hélice de alumínio
PROBLEMATIZAÇÃO
Para onde vai o calor fornecido à água depois que ela entra em ebulição?
DESENVOLVIMENTO
Discuta brevemente a questão acima com os
alunos e passe para as etapas seguintes:
A) Prenda o suporte na lateral da mesa.
Introduza a vareta em L em um furo acima
do meio do suporte. Coloque a hélice de
alumínio na ponta da vareta. Coloque
cerca de 100 ml de água no interior do
erlenmeyer e tampe-o com a rolha de
borracha. Introduza o tubo e o pino nos
furos da rolha.
Encaixe o erlenmeyer no fogareiro abastecido com álcool. Coloque o
conjunto debaixo da hélice de forma que o tubo fique bem direcionado
para a hélice. Acenda o fogareiro e aguarde alguns minutos após a
água entrar em ebulição. Observe o que ocorre (Obs.: as pazinhas da
hélice devem estar ligeiramente torcidas. Verifique as condições
de segurança antes de acender o fogareiro. Cuidado com o álcool.)
B) Tampe o bico da seringa de vidro com o êmbolo um pouco puxado.(Use a
tampinha da parte traseira de uma caneta esferográfica comum.)
Aproxime a seringa do fogareiro aceso girando sempre para que ela se
aqueça uniformemente. (Cuidado para não aquecer muito).
120
QUESTÕES
1) Como você explica o fato da hélice girar, na situação A? Quem realizava
o trabalho?
2) Na segunda parte da experiência, quem empurrou o êmbolo da seringa?
Houve realização de trabalho?
3) Para que o calor realize trabalho é sempre necessário que haja variação de
volume? Explique.
COMPLEMENTOS
1) Faça uma pesquisa sobre o funcionamento das máquinas a vapor e tente
relacionar com as experiências realizadas na situação A e B.
2) A energia térmica pode se transformar em energia mecânica. Mesmo nas
usinas termelétricas onde se obtém como produto final a energia elétrica,
é necessário que a energia térmica se transforme primeiro em mecânica
para que possa colocar em movimento as turbinas de um gerador. Faça
uma pesquisa sobre turbinas e máquinas térmicas.
121
58 - EQUIVALÊNCIA DE CALOR E TRABALHO
OBJETIVO
• Determinar a equivalência entre caloria e Joule.
MATERIAL
Fonte de tensão
Feltro e gominha
Multímetro com cabos de teste
Erlenmeyer
Termômetro
Pino de fixação
Fio de níquel-cromo
PROBLEMATIZAÇÃO
Neste experimento estaremos transformando energia elétrica em calor. É
possível transformar também calor em eletricidade?
DESENVOLVIMENTO
Enrole cerca de 0,5 m de fio níquel cromo no
pino. Meça a resistência da molinha que você fez
(resistor) no ohmímetro (você deverá encontrar um
valor em torno de 12Ω). Pegue as extremidades da
molinha com as garras da saída da fonte. Mergulhe
o resistor em 100 ml de água no interior do
erlenmeyer.
Envolva o erlenmeyer com o feltro preso ao
gargalo com uma gominha. Introduza o termômetro
na água e faça a leitura da temperatura inicial.
Ligue a fonte a 12V DC e aguarde 12 minutos. Leia então a temperatura
da água indicada no termômetro. Meça o valor da corrente (escala 10A) e o
valor da tensão (escala 20V DC).
Enquanto estiver montando o experimento e aguardando o aquecimento,
discuta a questão inicial com os alunos.
QUESTÕES
1) Calcule a potência dissipada por efeito Joule através da expressão P = V.i.
2) Sabendo que a água se aquece durante 12 minutos e que a potência nos
informa sobre a quantidade de energia elétrica dissipada por efeito Joule
em cada segundo, determine a quantidade total de calor, em Joules,
recebida pela água. (P = T / Δt)
122
3) Sabendo que: ∆Q = mc∆t onde: m = 100g, c = 1 cal/goC e ∆t a
variação de temperatura da água, determine, em calorias a quantidade
total de calor recebida pela água.
4) Igualando os resultados obtidos nas questões 2 e 3, estabeleça a relação
entre caloria e Joule.
COMPLEMENTO
A idéia de calor como energia foi introduzida por Rumford em 1789.
Enquanto trabalhava na perfuração de canhões Rumford percebeu o
aquecimento dos mesmos e teve a idéia de atribuir este aumento de
temperatura à energia gasta para perfurá-los.
Faça uma pesquisa sobre a evolução do conceito de calor.
123
59 – PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
OBJETIVO
• Mostrar um fenômeno curioso explicável através da primeira lei da
termodinâmica.
MATERIAL
Fio de níquel-cromo
Suporte com grampo fixador
Gominha macia (de dinheiro)
Massas de 100g
Pinos de fixação
Balão de borracha
Fonte de tensão
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer um peso, suspenso por um elástico, subir sem tocar no conjunto.
DESENVOLVIMENTO
Após fixar o suporte na lateral da
mesa, enfie um pino em um furo
próximo ao seu topo. Amarre
uma gominha macia (aberta) no
pino e as massas na outra
extremidade dela. (O elástico
deverá ficar bem esticado)
Marque a posição das massas.
Deixe os alunos testarem as
soluções apresentadas para a
questão acima.
Ligue um pedaço de fio de níquel-cromo em dois pinos fixados no
suporte, com uma massa pendurada em uma de suas extremidades para
mantê-lo sempre esticado, próximo da gominha. Engate as garras de saída da
fonte nos pinos e ligue a fonte com saída de 12V AC (se o fio não ficar
rubro, passe para 24V AC). O elástico irá contrair-se puxando as massas
acima da posição inicial delas.
Para que os alunos possam entender melhor o que acontece circule entre
eles um balão de borracha com as seguintes orientações:
1o) Esticar rapidamente o balão e colocá-lo na testa.
2o)Após esticar o balão deixá-lo contrair rapidamente e levá-lo à testa.
124
QUESTÕES
1) Era de se esperar a contração do elástico ao ser aquecido?
2) Comente a afirmação seguinte:
“Ao esticar o balão sua energia interna diminui e ele libera calor, quando
ele contrai, sua energia interna aumenta e ele absorve calor.”
3) Com base na afirmação acima você pode explicar a sensação de quente e
de frio que deverá ter sentido ao encostar o balão na testa, mediatamente
após sua distensão e contração, respectivamente. Experimente.
4) Quando realizamos trabalho esticando o elástico ele cede calor e quando
lhe fornecemos calor ele realiza trabalho e contrai. É o que você deverá
ter observado. Analise estes experimentos considerando a 1a Lei da
Termodinâmica:
Q = ΔE - W
125
60 – SOMBRA E PENUMBRA
OBJETIVOS
• Mostrar os fenômenos de sombra e penumbra.
• Evidenciar a diferença do feixe de luz proveniente de uma fonte pontual e
de uma fonte extensa.
MATERIAL
Placa com fendas
Disco de PVC com eixo
Fonte de tensão
Fonte de luz
PROBLEMATIZAÇÃO
Quais fatores interferem na nitidez de uma sombra? Por que as sombras
obtidas pela obstrução da luz solar são sempre bem definidas e as sombras
devidas a obstruções da luz de lâmpadas (principalmente lâmpadas
fluorescentes) normalmente não são?
DESENVOLVIMENTO
Dobre uma folha em cima e em baixo formando duas abas (em forma de
U) para que fique em pé. Ligue a fonte de luz à fonte de tensão em 12V AC
(ou em 24V AC se o ambiente estiver muito claro).
A) Coloque a folha com o anteparo
a ± 1m da fonte de luz e o disco
com o eixo a ± 20cm desta.
Observe a sombra do eixo no
anteparo. Aproxime e depois
afaste o disco do anteparo,
observando as diferenças que
ocorrem na sombra. Repita as
operações acima após dar um
giro de 90o na fonte de luz.
B) Substitua o disco na situação
anterior pela placa com fendas e
observe as sombras e os feixes
de luz provenientes dela.
126
QUESTÕES
1) Faça os desenhos esquemáticos mostrando a diferença da sombra
formada com a mudança de posição do filamento da lâmpada.
2) Qual a condição para obtermos feixes de luz bem nítidos? Explique.
3) Volte à discussão inicial sobre a questão da problematização.
COMPLEMENTO
Valendo-se das suas observações em B explique por que um objeto aqui
na superfície da Terra não fornece região de penumbra ao ser iluminado pelo
Sol, mas a Lua, num eclipse solar, projeta sombra e penumbra sobre a Terra.
127
61 - LUZ, SUPERFÍCIE E COR DOS OBJETOS
OBJETIVOS
• Mostrar os fenômenos de: absorção, difusão, reflexão e refração da luz;
• Verificar de onde provem a cor de um objeto.
MATERIAL
Placa de Al com furo
Filtros de cor: vermelho e azul
Fonte de tensão
Espelho plano
Fonte de luz
Lente convergente
Providenciar papel camurça: branco, preto, azul e vermelho .
PROBLEMATIZAÇÃO
1) De onde provêm as cores dos objetos?
2) O que acontece com a luz que estava em um quarto logo após você apagar
a lâmpada?
DESENVOLVIMENTO
Ligue a lâmpada na saída de
tensão alternada da fonte.
Encaixe a placa de Al na fenda
da fonte de luz fazendo seu
furo coincidir com a lâmpada.
Atenção: este experimento requer ambiente escuro.
A) Projete a luz na folha de camurça preta, depois na branca e nas coloridas.
Observe como fica o ambiente em cada uma das situações.
B) Repita o que foi feito em A, colocando agora filtros de cor no furo da
fonte para que a luz saia colorida.
C) Faça agora a luz incidir sobre a folha branca e depois no espelho.
Observe como fica o ambiente nos dois casos?
D) Coloque a lente na frente da fonte de luz e verifique o que ocorre com a
luz que a atravessa colocando uma folha de papel atrás dela e afastandoa devagar.
128
QUESTÕES
1) Sempre que a luz incide sobre uma superfície uma parte dela é:
- Absorvida em forma de calor;
- Difundida, quando a superfície não é bem polida;
- Refletida, quando a superfície é bem polida;
- Penetra no novo meio e pode sofrer mudança de direção ao entrar e ao
sair dele.
No experimento que você realizou em que situação ocorreu cada uma dos
fenômenos acima de forma mais acentuada?
2) O que difere o retorno da luz no fenômeno de difusão e reflexão?
Explique.
3) Pelas observações que você fez em B. Como você explica a origem da cor
dos objetos? Compare sua resposta com as dos seus colegas.
4) Faça um desenho mostrando o que aconteceu com o feixe de luz que
passou pela lente.
129
62 - MODELO MECÂNICO PARA REFLEXÃO
OBJETIVO
• Simular a reflexão de uma onda através de um modelo mecânico.
MATERIAL
Bloco de madeira
Disco de PVC
Caneta hidrocor bem fina (ou lápis fininho)
Grampo de fixação
Transferidor
PROBLEMATIZAÇÃO
Como explicar o retorno da luz ao encontrar um espelho ou do som ao
encontrar um obstáculo?
DESENVOLVIMENTO
Ponha uma folha de papel sobre
a mesa e o bloco de madeira sobre a
base dela. Fixe o bloco com o
grampo. Encaixe uma canetinha
fina no furo central do disco de
PVC. Ajuste a ponta dela para que
deixe traço quando o disco
deslocar-se sobre o papel. Lance o
disco contra o bloco nas direções:
perpendicular; pouco oblíqua e
depois bem oblíqua.
Verifique com o transferidor os valores dos ângulos, entre o traço e o
bloco, na ida e no retorno do disco, em cada lançamento.
QUESTÕES
1) Houve aproximação entre os ângulos medidos acima em cada
lançamento?
2) O disco retorna com a mesma energia que possuía anteriormente ao
choque? Comente.
3) Experimente explicar a questão da problematização com base no que
você observou neste experimento.
130
63 – MODELO MECÂNICO PARA REFRAÇÃO
OBJETIVO
• Mostrar o desvio de direção do movimento de um eixo com rodas ao
passar para uma pista menos lisa;
• Mostrar a dependência do desvio com o ângulo de incidência do
conjunto eixo-rodas na segunda pista;
• Usar a situação explorada como modelo para o fenômeno da refração.
MATERIAL
Placa de PVC
Bloco de madeira
Roldanas ou esferas de PVC
Feltro
Eixo de 1/8” ∅
PROBLEMATIZAÇÃO
O que ocorrerá com o alinhamento de um batalhão de soldados em
marcha no asfalto ao entrar, obliquamente, numa praia de areia?
DESENVOLVIMENTO
Apóie a placa de PVC no bloco de madeira para obter uma rampa.
Encaixe as roldanas (ou as esferas) nas pontas do eixo. Coloque o feltro
esticado na frente da rampa. Solte o eixo com as roldanas de cima da rampa.
Observe a direção do movimento do conjunto ao passar a se deslocar sobre o
feltro. Coloque o feltro perpendicular à rampa e depois com inclinações
variadas.
131
QUESTÕES
1) Você deverá ter observado que o movimento das rodinhas muda de
direção no momento que elas atingem o feltro e no instante em que elas
saem dele. A direção seguida pelo conjunto eixo-rodinhas após a saída do
feltro é paralela à direção do movimento que o conjunto manteve antes de
chegar a este. Caso não tenha observado estes detalhes repita o
experimento. Explique por que isso acontece.
2) Você deverá ter observado também que a mudança de direção do
movimento depende da inclinação com que o eixo atinge o feltro. Para
qual situação o desvio:
a) não ocorre?
b) é mais acentuado.
3) Verifique se em alguma situação as rodinhas deixam de passar sobre o
feltro após atingi-lo.
COMPLEMENTO
Experimente empregar o que você observou nas situações apresentadas
para explicar o desvio de uma onda ao passar de um meio de propagação
para outro diferente, quando atinge a superfície de separação dos dois meios
com uma certa inclinação.
132
64 – DESVIO DO FEIXE DE LUZ
OBJETIVOS
• Mostrar desvios em um feixe luminoso, de raios paralelos, provocado por
espelhos, lentes e lâmina de faces paralelas;
• Medir distâncias focais de espelhos esféricos e lentes.
MATERIAL
Lente f = 100mm
Lâmina especular
Pista para carrinho
Placa com fendas paralelas
Fonte de tensão
Placa com frisos
Fonte de luz
Bloco de madeira
Espelho plano
1 filtro de cor
Perfis bi-côncavo, bi-convexo e semi-círculo
PROBLEMATIZAÇÃO
Como conduzir a luz por vias quebradas e sinuosas?
DESENVOLVIMENTO
Prenda a fonte de luz sobre a placa com frisos no interior da pista com a
alça desta. Coloque a pista inclinada, apoiada no bloco de madeira. Na frente
da fonte de luz coloque a lente junto com a placa com fendas e uma folha de
papel, dobrada longitudinalmente ao meio e com as duas margens também
dobradas, formando um Z. Ligue a fonte de luz em 12V AC (ou 24V AC se
o ambiente estiver muito claro). Ajuste o sistema para que você tenha feixes
de luz nítidos e paralelos sobre a folha.
A) Intercepte os raios de luz com um
espelho plano (perpendicularmente a
eles e depois com inclinações variadas).
Observe os raios reais refletidos e suas
imagens virtuais no espelho.
B) Substitua o espelho plano pela lâmina
refletora e repita a situação A,
empregando a face côncava e depois a
face convexa da lâmina
C) Ponha o semicírculo sobre a folha de papel em pé, apoiado sobre sua face
retangular, interceptando os raios perpendicularmente e depois em
ângulos variados. Observe se os raios de luz, ao passarem por ele
continuam alinhados aos raios incidentes.
133
C) Verifique agora como os raios de luz paralelos são desviados ao passarem
pelos perfis bicôncavo e biconvexo. Compare os desvios aqui observados
com aqueles observados na situação B.
E) Repita as situações anteriores após colorir um dos raios de luz com o
filtro de cor preso à placa com fendas paralelas. Risque em uma folha as
direções dos raios de luz antes e após a incidência deles em cada um dos
elementos óticos empregados.
QUESTÕES
1) Em quais situações os raios paralelos de luz continuam paralelos? Em
quais eles convergem? Em quais eles divergem?
2) Verifique que se você prolongar os raios de luz, nas situações em que
ocorre divergência, você encontrará um ponto (foco) de cruzamento dos
prolongamentos dos raios (raios virtuais). Esse ponto é chamado de foco
virtual. A distância que vai desse ponto ao vértice do espelho ou ao
ponto central da lente é a distância focal do elemento ótico em questão.
Determine, na folha empregada na situação E, os focos virtuais e as
distâncias focais para os casos em que houve divergência dos raios.
Meça as distâncias focais:
a) Do perfil biconvexo;
c) da superfície especular côncava;
b) Do perfil bicôncavo;
d) da superfície especular convexa.
3) Através de quais elementos óticos você obteve:
a) foco real?
b) foco virtual?
COMPLEMENTOS
1) Verifique que a distância focal da superfície especular côncava ou
convexa, altera com a mudança do raio de curvatura delas. Para isso,
comprima levemente abas da lâmina refletora.
2) Apresente sua solução para a questão da problematização baseando-se
no que você observou nestes experimentos realizados.
134
65 – COMPOSIÇÃO E DECOMPOSIÇÃO DA LUZ
OBJETIVOS
• Mostrar que a luz branca pode ser decomposta através de um prisma;
• Mostrar que a luz branca pode ser obtida a partir de luzes coloridas;
• Destacar que o desvio do raio de luz na refração depende da freqüência
da onda luminosa (da cor).
MATERIAL
Fonte de tensão
Placa com frisos
Espelhos planos articulados
Prisma
3 Lentes
Fonte de luz
Filtros de cor
Atenção: requer ambiente escuro (ou pelo menos não muito claro)
PROBLEMATIZAÇÃO
Como você explica:
a) A formação do arco-íris?
b) A obtenção de todas as cores na televisão se nela são empregadas
apenas as bandas de cores: verde, vermelho e azul?
DESENVOLVIMENTO
As situações que serão abordadas fornecerão informações para respostas
às questões acima.
Passemos à execução delas:
A) Ligue a fonte de luz em 24V AC e coloque à frente dela a lente f = 10cm
até obter a imagem do filamento da lâmpada no anteparo (pode ser uma
parede). Ponha a placa com frisos sobre a lente f = -100mm e sobre ela o
prisma. Posicione o prisma até obter uma faixa colorida (espectro) bem
nítida no anteparo branco (uma folha de papel). Obstrua com um filtro
de cor as faces do prisma, uma de cada vez, para você certificar-se por
qual delas a luz está entrando e por qual ela está saindo. Observe a
posição do prisma e a seqüência das cores no espectro.
B) A partir do anteparo vá afastando a lente f = 400mm até obter a
convergência das faixas de luzes coloridas em um pequeno retângulo de
luz igual àquela do filamento cuja imagem aparece no anteparo.
135
C) Corte ou dobre um dos filtros de cor para obter uma fita de ± 2cm de
largura. Cole a esta tira, com fita adesiva transparente, os outros dois
filtros um de cada lado dela. Coloque o conjunto frente à fonte de luz
para formar três faixas coloridas de luz sobre uma folha de papel.
Intercepte as faixas laterais, com os
espelhos articulados de forma que os feixes
refletidos cruzem com a faixa do meio,
misturando as três cores. Observe as cores
obtidas nas misturas de duas cores (nas
laterais) e na fusão das três cores (no centro).
QUESTÕES
1) Faça um desenho esquemático mostrando a entrada e a saída da luz que
incide no prisma e as cores no espectro que se obtém. Que cor sofre
maior desvio? É a de maior ou menor freqüência? (Verifique em uma
tabela de freqüências espectrais de ondas eletromagnéticas)
2) O que a lente de f = 400mm fazia com as faixas de cores que incidiam
nela, na situação B? Como você explica a obtenção da faixa espectral
colorida e depois a faixa branca?
3) Quais as cores que você observou na situação C? De quais fusões de
cores elas foram obtidas?
COMPLEMENTO
Como você explica, depois destas experimentações, as questões
colocadas inicialmente, na problematização? Faça uma pesquisa sobre arcoíris e projeções em cores (cinema e televisão).
136
66 – IMAGENS NAS LENTES
OBJETIVOS
• Projetar imagens de objetos reais através de uma lente convergente;
• Projetar imagens de objetos virtuais através de uma lente divergente;
• Mostrar as características das imagens projetadas.
MATERIAL
Fonte de tensão
Lentes
Placa com lâmpadas
PROBLEMATIZAÇÃO
Meia lente fornece imagem inteira?
Ou meia imagem?
DESENVOLVIMENTO
A) Ligue uma lâmpada em 12V AC e
posicione a placa na vertical. Coloque cada
uma das lentes na frente da lâmpada acessa
e vá afastando-a enquanto observa o facho
de luz que sai dela. Para isso, aproxime e
afaste uma folha de papel da lente.
B) Dobre uma folha em U, para ser mantida na vertical. Coloque a folha
afastada da lâmpada acesa a distâncias aproximadamente de 0,5m; 1m;
2m etc. Ajuste a lente f = 100mm entre elas até obter a imagem do
filamento da lâmpada, com nitidez, sobre a folha, para cada posição
acima.
C) A partir da última exploração da situação B intercale a lente f = -100mm
entre a lente (f = 100mm) e a folha para obter uma nova imagem
projetada. Observe as características dessa nova imagem do filamento da
lâmpada.
D) Cubra metade da lente f = 100mm com uma tira de papel e obtenha a
imagem do filamento da lâmpada. Compare essa imagem com a imagem
fornecida pela lente descoberta.
137
QUESTÕES
1) O que ocorre com o feixe de luz ao passar por uma lente convergente? E
por uma lente divergente?
2) A imagem que você obteve do filamento da lâmpada com uma lente
convergente era:
a) Maior que o filamento?
b) Invertida em relação ao filamento?
3) O que você pode afirmar sobre as distâncias do filamento até a lente e
desta até o anteparo?
4) Comente a formação da imagem obtida na situação C.
5) Baseado na situação D responda às questões da problematização.
138
67 – POLARIZAÇÃO DA LUZ
OBJETIVOS
• Mostrar o fenômeno de polarização da luz por filmes polarizadores;
• Evidenciar aplicações do fenômeno de polarização na análise da estrutura
interna de materiais.
MATERIAL
Placa com frisos
Filtros polarizadores
Fonte de tensão
Fonte de luz
Providenciar: régua de plásticos transparente (ou fita durex) / algum mostrador
digital (relógio, multímetro, etc.).
PROBLEMATIZAÇÃO
Experimente criar um modelo para as ondas de luz que permita explicar
os fenômenos que serão abordados neste experimento.
DESENVOLVIMENTO
A) Coloque a fonte de luz sobre a placa com
frisos e ligue-a em 24V AC. Encaixe um
dos filtros polarizadores em um dos frisos.
Observe se passa luz por ele. A seguir,
encaixe o outro filtro no friso seguinte.
Observe se continua a passar luz por eles.
Gire um dos filtros em 90oC e observe
novamente se passa luz por eles.
B) Com a luz obstruída pelos dois filtros
polarizadores experimente colocar
entre eles uma régua transparente ou
fitas durex justapostas. Observe se
passa luz. Gire a régua e veja se
aparece luz colorida no anteparo.
139
QUESTÕES
1) Como explicar o fato de a luz passar por um dos filtros e ser barrada no
outro que é também transparente?
2) Imagine que o filtro polarizador seja constituído de minúsculas fendas
paralelas. Admita agora que o feixe de luz seja composto de ondas que
se propagam em todas as direções e que somente aquelas com planos de
propagação coincidentes com as fendas do filtro passam por ele. Com
este modelo, tente explicar os fenômenos observados neste experimento.
3) Se acrescentar ao modelo anterior a possibilidade dos planos de
propagação das ondas luminosas sofrerem torções (giros) no interior de
um material transparente, é possível explicar também as observações
referentes às situação C. Experimente.
140
68 – INTERFERÊNCIA LUMINOSA
OBJETIVOS
• Observar a interferência que ocorre no feixe de luz que atravessa duas
telas finas superpostas.
MATERIAL
Fonte de tensão
Placa com frisos
Fonte de luz
Lente f = 100mm
Telas finas
Folha de papel dobrada em U
PROBLEMATIZAÇÃO
Como funciona o silencioso de um carro?
DESENVOLVIMENTO
Coloque a fonte de luz sobre a
placa com frisos. Encaixe as duas
telas nos frisos. Ligue a lâmpada
em 24V AC. Posicione a lente na
frente das telas de forma a obter a
imagem delas na folha colocada à
± 1m na frente da lente.
Observe a imagem no anteparo enquanto gira uma das telas.
QUESTÕES
1) Como explicar as regiões escuras que aparecem no anteparo? Seriam
elas resultantes da neutralização de uma onda por outra?
2) Imagine duas pessoas mantendo uma corda esticada entre elas. O que
você imagina acontecer se ambas fizerem um pulso que caminha na
corda, um em direção ao outro, de forma que seguem:
a) Ambos para cima;
b) Um para cima e o outro para baixo.
COMPLEMENTO
Use o modelo de pulsos que se somam ou se subtraem para explicar o que
ocorre com as ondas nas duas situações seguintes:
a) Ondas sonoras que se neutralizam no interior de um silencioso de carro;
b) Nas regiões da interferência da luz no experimento realizado.
141
69 - INTERAÇÕES ENTRE CORPOS ELETRIZADOS
OBJETIVOS
• Verificar as propriedades de atração e repulsão entre corpos eletrizados;
• Acender lâmpada com corpos eletrizados;
• Usar o modelo atômico para explicar os fenômenos acima observados.
MATERIAL
Bloco de madeira
Retalho de feltro de lã natural
Dois canudinhos de refresco novos
Lápis com ponta bem fina
Lâmpada de néon
Calha de PVC
CUIDADOS
Antes de pegar o material cuide para que suas mãos estejam bem limpas,
secas e sem oleosidade. É aconselhável, também, limpar os canudinhos e a
calha com um pano embebido em álcool antes de usá-los.
PROBLEMATIZAÇÃO
É possível acender uma lâmpada de néon sem ligá-la a pilhas, baterias ou
rede elétrica? Experimente.
DESENVOLVIMENTO
Deixe inicialmente o material à
disposição dos alunos para que possam
tentar solucionar o desafio.
Depois passe para a montagem seguinte:
Introduza o lápis no furo do bloco de
madeira (de igual diâmetro) e equilibre um
dos canudinhos, dobrado ao meio sobre a
sua ponta. Atrite o outro canudinho com
intensidade. Para isto, comprima-o entre o
feltro e puxe-o rapidamente. Realize as
atividades seguintes com o canudinho
sempre bem atritado:
A) Aproxime o canudinho de objetos leves, como pedaços de papel picado,
pêlos do braço, etc.
B) Jogue-o contra a parede;
142
C) Aproxime-o do canudinho equilibrado na ponta do lápis. Repita esta
situação, atritando os dois canudinhos;
D) Segure a lâmpada por um dos pinos
laterais e corra o canudinho atritado pelo
outro pino. (Em ambientes escurecidos
este fenômeno será mais evidente.)
Repita as situações A, C, e D, substituindo o canudinho pela calha de PVC
bem atritada com o feltro.
QUESTÕES
1) Como você explica suas observações, ou seja, do canudinho atritado:
a) atrair objetos leves?
b) grudar-se na parede?
c) atrair e depois repelir o outro canudinho?
d) acender a lâmpada de néon?
2) Provavelmente, entre seus colegas, surgiram explicações diferentes para
os fenômenos observados nas experiências realizadas. Compare suas
explicações com as explicações dadas por seus colegas e com aquelas
dadas pela Física.
COMPLEMENTOS
1) Você já observou que, no instante em que liga ou desliga uma televisão, o
visor atrai os pêlos do nosso braço e às vezes ocorrem uns estalidos ou
até pequenas centelhas, vistas quando o ambiente está escuro? O que
você julga acontecer ao aproximarmos do visor de uma televisão. Logo,
após ligá-la:
a) objetos leves?
b) o canudinho equilibrado na ponta do lápis?
c) a lâmpada de néon, segurando um dos pinos e deslocando o outro no
visor da TV?
Verifique experimentalmente suas suposições.
143
2)
Na Física, estes fenômenos são explicados através do modelo
atômico da matéria. Por este modelo, toda matéria é constituída de
átomos que se unem para formar as moléculas. Elas são a base
constituinte de todas as substâncias sólidas, líquidas ou gasosas.Os
átomos são organizações complexas e bem ordenadas de partículas
extremamente pequenas. As partículas básicas são: os elétrons, os
prótons e os nêutrons. Os prótons têm carga positiva e massa
praticamente igual às dos nêutrons. A soma das massas destas duas
partículas corresponde praticamente à massa do próprio átomo. Os
elétrons possuem carga negativa, têm massa muito menor que as
dos prótons e nêutrons, e giram em torno do núcleo. O átomo no
estado normal é neutro, pois o número de elétrons é sempre igual
ao de prótons. As cargas positivas dos prótons se igualam com as
cargas negativas dos elétrons.
Elétrons podem ser removidos de um átomo através do atrito. Quando
dois objetos são fortemente atritados entre si, alguns elétrons, dos átomos
mais periféricos, são arrancados de um dos objetos e ficam no outro.
Desta forma, aquele que perdeu elétrons fica com excesso de cargas
positivas, isto é, passa a ter mais prótons que elétrons. O outro objeto, que
recebeu elétrons, fica carregado negativamente, ou seja, com uma certa
quantidade a mais de elétrons que seu número de prótons. A tendência de
todo corpo carregado eletricamente é reequilibrar o número de prótons
com o de elétrons e tornar-se neutro. Assim um corpo eletricamente
negativo tende a perder os seus elétrons excedentes e ficar neutro. Já um
corpo eletricamente positivo tende a receber elétrons para se neutralizar.
Esta tendência decorre do fato de cargas de mesmo sinal se repelirem e
cargas de sinais contrários se atraírem. Assim um objeto carregado
positivamente repele outros objetos com carga positiva e atrai os que
estiverem carregados negativamente.
Quando aproximamos um corpo carregado de um corpo neutro este é
atraído. Se a carga do corpo for positiva, ele tenderá arrancar elétrons do
corpo neutro, e, se a carga do corpo for negativa, ele tenderá ceder
elétrons para o corpo neutro.
Experimente responder novamente à primeira questão com base neste
comentário.
144
70 – ELETRIZAÇÃO POR ATRITO E POR CONTATO
OBJETIVOS
• Identificar o sinal da carga adquirida pelos corpos eletrizados;
• Mostrar que o sinal da carga adquirida por atrito depende dos corpos;
• Eletrizar corpos por atrito e por contato;
• Evidenciar o fenômeno da polarização elétrica.
MATERIAL
Bloco de madeira
Eletróforo
Pino de fixação
Retalho de feltro de lã natural
Placa de PVC
Calha de PVC
Canudinho de refresco
Lâmpada de néon Lápis com ponta fina
Laminado de alumínio fininho
Multímetro digital com cabos de prova
Fio fininho de seda ou nylon (de meia ou fio dental desfiado)
CUIDADOS
Antes de pegar o material cuide para que suas mãos estejam bem limpas,
secas e sem oleosidade. É aconselhável, também, limpar os materiais com
um lenço embebido em álcool antes de usá-los. Evitar local com muita
umidade ou correntes de ar.
PLOBLEMATIZAÇÃO
Atrair o pêndulo, ilustrado abaixo, com a ponta de seu dedo.
DESENVOLVIMENTO
Construa inicialmente um pêndulo com laminado
de alumínio, da seguinte forma:
Retire um fio fininho de uma meia feminina ou de
um fio dental desfiado. Coloque uma de suas pontas
sobre um pedaço de laminado de alumínio e amasse
este com os dedos até formar uma bolinha. Enrole a
extremidade livre do fio em uma das pontas do
canudinho e dobre este a uns 5 cm desta. Encaixe a
outra ponta do canudinho no pino de fixação enfiado
no furo da base de madeira com mesmo calibre.
145
Coloque o pêndulo e os demais materiais à disposição dos alunos para
que eles experimentem solucionar o desafio. Após alguns minutos passe
para as seguintes etapas:
A) Ajuste o multímetro na escala 200 mV
DC. Segure a ponta de prova negativa
e passe a ponta de prova positiva sobre
a placa de PVC e sobre o disco
metálico do eletróforo, suspenso pelo
cabo isolante. Repita as operações
acima após colocar a placa sobre a
mesa e atritá-la com o disco metálico
seguro apenas pelo cabo isolante.
Observe com atenção o sinal indicado
no visor do aparelho em cada caso.
B) Repita o procedimento acima empregando agora o feltro e a calha de
PVC. Verifique se o sinal da carga elétrica adquirida pelo PVC agora
era o mesmo de quando atritado pelo alumínio, na situação A.
C) Segure o eletróforo pelo cabo e passe a régua
no disco metálico após atritá-la com o feltro.
Verifique com o multímetro o sinal da carga
adquirida pelo disco e se ele é o mesmo da
carga que a régua adquire ao ser atritada
com o feltro. Substitua o eletróforo pela
placa de PVC e verifique se é possível
eletriza-la com a calha de PVC carregada
eletricamente.
D) Substitua o multímetro pela lâmpada de néon nos procedimentos
anteriores e verifique em quais situações ela pisca.(Segure a lâmpada
por um dos terminais e passe o outro no material em teste).
A) Atrite bem a calha de PVC com o feltro e aproxime-a da esferinha do
pêndulo. Observe o que ocorre antes e após ela tocar na calha. Deixe a
bolinha parar e aproxime devagar seu dedo a ela.
146
Observe agora o comportamento da bolinha ao ser colocada entre seu
dedo e a régua bem atritada com o feltro. (Mantendo mais ou menos 5 cm
entre seu dedo e a régua )
Substitua seu dedo pelo disco do eletróforo suspenso pelo cabo. Toque
depois o disco com um dos terminais da lâmpada de néon.
QUESTÕES
1) Você observou que quando dois corpos atritados adquirem cargas
elétricas um fica positivo e o outro negativo? Faça desenhos ilustrando
os corpos atritados em A e B e indique neles os sinais das cargas que
eles adquiriram.
2) Você observou que um mesmo corpo pode adquirir cargas positivas ou
negativas, dependendo da natureza do outro corpo com o qual foi
atritado? Relate o que ocorreu com o PVC quando foi atritado com
alumínio e depois com lã.
3) Você conseguiu eletrizar por contato:
a) A placa de PVC?
b) O disco de alumínio? Porque o disco metálico foi mantido pelo cabo
de PVC?
4) O que ocorreu com as cargas elétricas que passaram pela lâmpada nas
situações em que ela piscou?
5) Explique porque a lâmpada acendeu ao ser tocada no disco metálico do
eletróforo após ele receber sucessivos toques da esferinha do pêndulo.
(situação E)
6) Quando é que seu dedo atraia a esferinha do pêndulo? Explique por que.
7) Pelas observações feitas podemos considerar que em alguns materiais as
cargas ficam localizadas em algumas regiões do material e não fluem de
um local para outro. Em outros materiais as cargas elétricas deslocam-se
sobre ele. Você foi capaz de identificar nos experimentos realizados, os
materiais que tiveram cada um dos comportamentos acima? Comente.
147
71 – ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
OBJETIVOS
• Observar o efeito da indução eletrostática ;
• Carregar eletricamente por indução alguns objetos.
• Mostrar que a carga elétrica adquirida por indução tem sinal contrário da
carga indutora.
MATERIAL
Bloco de madeira
Feltro de lã natural
Lápis com ponta fina
Canudinho
Calha de PVC
Placa de PVC
Eletroscópio
Lâmpada de néon
Lápis com ponta fina
PROBLEMATIZAÇÃO
Acender uma lâmpada de néon sucessivas vezes a partir de um corpo
carregado eletricamente por atrito sem descarregá-lo.
DESENVOLVIMENTO
Disponibilize o material para os alunos enfrentarem o desafio.
Depois de algum tempo passe as explorações seguintes:
A) Encaixe o cabo do eletróforo no furo central do bloco de madeira. Atrite
bem a calha de PVC no feltro e aproxime-a do disco metálico do
eletróforo, sem tocar nele. Afaste a calha e toque o disco com um dos
terminais da lâmpada de néon, segurando-a pelo outro terminal.
B) Passe a calha atritada no feltro sobre o disco metálico. (A calha
encostando-se a ele). Toque o disco com o terminal da lâmpada como
você fez em A. Se não observar diferença repita o procedimento.
148
C) Mantenha a calha bem atritada no feltro paralela à face do disco
metálico, sem tocar nele. Encoste o terminal da lâmpada no disco
observando-a. Afaste a lâmpada e depois afaste a régua. A seguir toque
novamente o disco com o terminal da lâmpada observando-a. Verifique
que você pode repetir muitas vezes este procedimento com a lâmpada
sempre piscando nos dois momentos.
D) Coloque a placa de PVC sobre o feltro e com a outra parte dele atrite
bem a placa. Coloque sobre ela o disco metálico do eletróforo e toque
neste com o dedo. Remova seu dedo e depois a placa de metal, pegando
apenas no seu cabo isolante. Toque o disco com o terminal da lâmpada
de néon. Repita as operações acima, substituindo o seu dedo por um dos
terminais da lâmpada de néon, segurando-a sempre pelo outro terminal.
Faça isto de preferência em ambiente escurecido.
E) Equilibre o canudinho, dobrado ao meio e atritado, sobre a ponta do
lápis, encaixado na base de madeira. Aproxime dele a calha também
atritada. Faça o mesmo, usando agora a placa de metal, após carregá-la
de cargas elétricas como já foi descrito em D. Observe como o
canudinho carregado se comporta com a aproximação destes objetos
também carregados eletricamente.
OBSERVAÇÃO:
Você pode verificar o sinal das cargas elétricas obtidas em cada situação
acima empregando o multímetro. Para isso, ajuste a escala de 200 mV,
segure a ponta de prova negativa ( cabo preto) para fazer “terra” e passe a
outra ponta de prova no objeto carregado enquanto observa no visor o
sinal da carga. (Os valores das tensões indicados pelo aparelho não
correspondem aos valores reais).
QUESTÕES
1) Como você explica os fatos ocorridos nas situações A, B e C? É possível
explicar algum deles a partir da:
a) repulsão eletrostática?
b) transferência de elétrons?
2) Como você explica o aparecimento de carga elétrica no disco, na situação
C? Você acha que ele recebeu elétrons da calha? Explique.
3) Digamos que um colega seu desse a seguinte explicação para o que se
observa em C:
149
“Quando aproximo a calha carregada do disco do eletróforo,
algumas cargas elétricas (alguns elétrons) deslocam-se sob
influência da carga elétrica presente na calha”.
Caso você concorde com ele apresente então sua explicação bem
detalhada. E ilustre a situação com desenhos mostrando o movimento das
cargas elétricas. (Considere, a calha carregada eletricamente com carga
negativa).
4) Pelas observações feitas em C, responda às questões abaixo:
a) Com a aproximação da calha carregada, o disco ficou carregado
eletricamente?
b) Quando você tocou o dedo no disco do eletróforo, houve transferência
de elétrons entre seu corpo e o aparelho? Justifica sua resposta?
5) Considerando suas observações referentes às atividades realizadas em D,
responda:
a) As cargas da placa de PVC são transferidas para a placa metálica,
quando colocamos esta sobre a outra?
b) Há transferência de carga entre seu corpo e a placa metálica quando
você toca nela, antes e depois de afastá-la da placa de PVC? Explique.
6) Observe que em C e D carregamos eletricamente um corpo utilizando um
outro corpo eletrizado por atrito, sem descarregar-lo. Aproveitamos
apenas a influência de um corpo carregado sobre o outro, isto é, o fato de
um corpo carregado eletricamente induzir o aparecimento de cargas
elétricas em outros, próximos a ele. Descreva o processo usado para
carregar eletricamente, um objeto, por indução de modo que ele
permaneça carregado após o afastamento do corpo indutor.
7) Considerando o que você observou em E, responda: a carga elétrica
obtida por indução é de mesmo sinal da carga do corpo indutor? De onde
provém a carga adquirida pelo corpo que é carregado por indução
elétrica?
COMPLEMENTO
Devido as suas grandes dimensões, a Terra é capaz de receber ou ceder
elétrons e continuar aparentemente neutra; por esta razão, qualquer corpo
carregado eletricamente, posto em contato com ela, se descarrega, ficando
também neutro.
Você deverá ter observado, em C, a lâmpada piscar, quando foi tocada na
placa metálica, antes e depois de afastá-la da placa de PVC atritada. Esta
observação está em conformidade com a afirmação acima? O sentido do
movimento dos elétrons foi o mesmo nos dois instantes? Explique.
150
72 - CONDUTORES E ISOLASTES ELÉTRICOS
OBJETIVOS
• Evidenciar a transferência de cargas elétricas em materiais condutores e
em materiais isolantes;
• Explorar o modelo atômico da matéria na interpretação dos fenômenos de
indução, condução e isolação elétrica.
MATERIAL
Placa de PVC
Calha de PVC
Base de Madeira
Eletróforo
Lâmpada de néon
Feltro de lã natural
PROBLEMATIZAÇÃO
O ar atmosférico é isolante elétrico, porém, os raios, vistos através dos
relâmpagos, propagam-se através dele. Como você explica esse fato? Será
que materiais isolantes tornam-se condutores em certas circunstâncias?
DESENVOLVIMENTO
A) Atrite bem a calha
com o feltro. Segure a
lâmpada por um de
seus
terminais
e
encoste
o
outro
terminal em diferentes
pontos, ao longo do
comprimento da calha.
B) Encaixe o eletróforo no furo mediano da base de madeira. Corra sobre o
disco metálico a régua de PVC fortemente atritada no feltro. Segurando a
lâmpada por um de seus terminais, encoste o outro em diferentes pontos
do disco.
C) Atrite bem a placa de PVC com o feltro. Comprima sobre ela o disco de
metal, seguro pelo cabo. Segure a lâmpada por um dos terminais e
encoste o outro em diferentes pontos do disco metálico, antes e após
removê-lo de cima da placa de PVC. Toque, também, com o terminal da
lâmpada em diferentes pontos da placa de PVC atritada e suspensa no ar.
151
QUESTÕES
1) Você deverá ter observado que a lâmpada pisca ao tocar em pontos
distintos dos objetos de PVC atritados e pisca uma só vez ao tocar o disco
metálico carregado. Como você explica este fato?
2) O modelo atômico da matéria considera a existência de elétrons livres
entre átomos dos materiais chamados condutores elétricos. Esses elétrons
são compartilhados por diversos átomos, sem se prender a nenhum deles.
Valendo-se desta afirmação, apresente uma explicação para os fenômenos
observados em A, B e C.
3) Explique porque somente os corpos condutores podem ser carregados por
indução eletrostática.
COMPLEMENTOS
1) Carregando eletricamente o eletróforo e tocando com ele uma superfície
e depois o terminal da lâmpada de neon, você poderá verificar se o corpo
tocado é condutor ou isolante elétrico. Faça isto tocando em papel,
madeira, parede, etc.
2) A diferença de potencial elétrico entre você e os corpos carregados
eletricamente empregados nos experimentos realizados anteriormente
era de 1000 volts a 10.000 volts. Muitos materiais que são isolastes
elétricos para tensões de 110V (ou 220V) empregadas nas residências.
Tornam-se condutores elétricos para tensões altas, como você deverá ter
constatado nos testes sugeridos acima. A diferença de potencial elétrico
entre uma nuvem carregada e a superfície da Terra chega a 100 milhões
de volts.
Com base nestas informações retorne à questão da problematização.
152
73 - CAMPO ELÉTRICO
OBJETIVOS
• Elaboração de um modelo de campo elétrico;
• Mostrar que só existe campo elétrico fora de um condutor;
• Estabelecer a relação entre força elétrica e campo elétrico.
MATERIAL
Placa de PVC
Canudinho novo
Feltro de lã natural
Pino de fixação
Bloco de madeira
Fita adesiva ou cola
Fio de nylon finíssimo (de meia feminina)
Laminado fininho de Al
Latinha, tipo cerveja, aberta
Pedaços de fio de lã ou linha
PROBLEMATIZAÇÃO
Por onde passam os elétrons em um fio que transporta eletricidade?
DESENVOLVIMENTO
Discuta inicialmente a questão acima e
passe para as etapas seguintes:
Construa o pêndulo elétrico mostrado
na figura. Para isso, encaixe uma ponta do
canudinho no pino fixado em um furo no
bloco, e dobre-o a ± 5cm da outra
extremidade. Amarre o fio de nylon com
uma bolinha, feita com o laminado de Al,
na ponta do canudinho.
A) Aproxime a calha da bolinha, antes e depois de atritá-la bem com o
feltro. Observe o que ocorre com a bolinha. Tente encostar a calha
atritada na bolinha. Certifique-se de que, quanto mais carregada
estiver a calha, mais difícil é tocar a bolinha.
B) Aproxime seu dedo indicador da calha atritada mantendo a bolinha do
pêndulo entre os dois. Observe o comportamento da bolinha entre
eles.
C) Coloque a latinha sobre a placa de PVC, tendo antes prendido alguns
pedaços de linha nas suas paredes (interna e externa). Atrite a calha e
passe-a sobre a lata, repetidas vezes. Observe o que acontece com os
pedaços de linha pendurados nela.Obs.: Pode-se substituir a latinha
por um cilindro feito com uma folha de papel ofício.
153
QUESTÕES
1) Como você explica suas observações sobre o comportamento da bolinha
na situação A?
2) Suponha que em torno da bolinha e da calha carregadas existam campos
de forças. Tente explicar suas observações, com base nesta idéia. Como
seria a força em cada ponto do campo criado pela carga da bolinha? Teria
sempre a mesma intensidade e direção? Faça um desenho ilustrando as
forças do campo que você imaginou:
a) para a bolinha;
b) para a calha;
c) observe esses campos representados em livros.
3) Com base no que você verificou experimentalmente, comente a afirmação
abaixo:
“Entre dois corpos carregados eletricamente, com cargas de mesmo
sinal, atuam sempre forças iguais, numa mesma direção, e em
sentidos contrários. Essas forças aumentam com o aumento das
cargas dos corpos e diminuem rapidamente com o aumento da
distância entre eles.”
Coulomb mostrou experimentalmente, em 1785, que a intensidade das
forças, que atuam em duas esferas carregadas, pode ser determinada pela
seguinte expressão:
K Qq
F=
d²
Onde F é a força que um dos corpos exerce sobre
o outro, K uma constante de proporcionalidade
que depende do meio onde se encontram os
corpos; Q a carga de uma esfera, q a carga da
outra esfera e d a distância entre os centros das
esferas. A afirmação acima está em conformidade
com a expressão da força de Coulomb?
4) Explique o que você viu acontecer em B, empregando a idéia de campo
elétrico.
5) Pelo que você observou na situação C, o que se pode dizer sobre a
intensidade do campo elétrico dentro e fora de um condutor?
154
COMPLEMENTOS
1) A lei de Coulomb
F = K Qq / d2 é válida para situações em que os
corpos carregados possam ser considerados pontos de carga. Isto é, as
cargas Q e q concentradas em regiões muito diminutas em relação à
distância entre elas. Pela lei de Coulomb a carga q sofrerá uma força, F,
de intensidade constante, sempre que for colocada a uma mesma
distância, d, da carga Q (e vice-versa). A intensidade da força diminui à
medida que se afasta da carga. Pode-se considerar, então, que existe um
campo de força em torno da carga elétrica.
Se considerarmos que a intensidade do campo elétrico, gerado por uma
carga Q, seja igual à ação de Q sobre uma carga unitária positiva, o valor
do campo será dado pela expressão:
E =
F
q
=
KQ
d2
A direção e o sentido de E serão as mesmas do movimento que uma carga
unitária positiva teria, se colocadas no ponto consideradas do campo
gerado por Q.
Conhecendo-se o campo elétrico em um certo ponto do espaço, calculase facilmente a intensidade da força que atuará numa carga, q, se
colocada naquele ponto, visto que:
F = Eq .
2) Considere duas cargas pontuais, uma positiva e outra negativa e faça uma
representação dos campos elétricos criados por elas nas situações abaixo
a) As duas cargas isoladas, sem interagirem entre si;
b) As duas cargas próximas, interagindo uma com a outra.
155
74 - CONFIGURAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO
OBJETIVOS
• Observar as configurações das linhas de força em campos elétricos;
• Comentar sobre a utilização industrial de alguns dos fenômenos
observados nesta prática.
MATERIAL
Feltro de lã natural
Limalha de ferro
Núcleos de ferro em U
Placa de PVC
Araminho bem fino ±10 cm (use do fio de NiCr do kit)
Calha de PVC
PROBLEMATIZAÇÃO
Como retirar a fuligem e outras partículas da descarga de gases de uma
chaminé? (filtrar a massa de ar que escapa de uma indústria, por exemplo).
DESENVOLVIMENTO
Após uma discussão breve com os alunos sobre a questão inicial passe
para os procedimentos abaixo:
A) Passe a mão limpa sobre a placa de PVC para descarregá-la. Coloque
sobre ela as duas peças de ferro em U, paralelas entre si, com uma
fileira delgada de limalhas de ferro entre elas. Atrite bem a calha com o
feltro e passe-a por uma das peças em U. Mantenha a outra peça ligada
à terra, com o dedo apoiado nela, por exemplo. Repita a operação
diversas vezes até espalhar todas as limalhas (Mantendo a placa de PVC
afastada da mesa obtem-se melhor resultado. Para isso coloque-a sobre
um aro feito com a mangueira de 1/8”, por exemplo).
156
Caso não obtenha boa configuração das linhas de força do campo
elétrico. Repita o experimento, usando agora um pouco de óleo mineral
num pratinho, de PVC (destes para bolo, descartáveis) e sementinhas
espalhadas sobre a superfície do óleo. De preferência sementes de grama.
B) Mantenha uma ponta do arame no meio de um montinho de limalhas de
ferro colocado na região central da placa de PVC (afastada da mesa).
Coloque a peça de ferro sobre o arame em cima da placa de PVC. Passe a
calha de PVC atritada no feltro sobre a peça em U, diversas vezes até
espalhar todo o montinho de limalhas.
Pode-se também usar o pratinho com óleo. Neste caso prenda o arame na
borda do prato, mantendo uma de suas pontas no centro da superfície de
óleo com sementes espalhadas sobre ela.
QUESTÕES
1) Desenhe a configuração das linhas de forças obtidas em A e B. Comente
as afirmações seguintes com base nos desenhos feitos:
a) As linhas de força em A eram paralelas, evidenciando que o campo
elétrico era uniforme, ou seja, exercia força constante sobre as partículas
de ferro em qualquer ponto em que elas estivessem, em direção
perpendicular as barras de Fe.
b) O campo elétrico em B era radial, conseqüentemente a força elétrica
exercida por ele sobre as partículas de ferro dependia da posição delas em
relação à ponta carregada.
2) Compare os desenhos que você fez ilustrando os campos elétricos,
observados através do deslocamento das partículas de ferro, com
desenhos de campos elétricos gerados por placas paralelas e por
partículas carregadas representados em livros de Física.
COMPLEMENTO
Campos gerados por placas carregadas são empregados em válvulas
eletrônicas, em tubos de imagem de TV, na pintura de chapas, na cromagem
de objetos, etc. O que você observou em B é o chamado efeito corona. Ele
tem vastas aplicações industriais na seleção se grãos, purificação de gases
em chaminés, etc. Procure informar-se melhor sobre estas aplicações, através
de pesquisa bibliográfica em livros ou enciclopédias técnicas ou
entrevistando técnicos das respectivas áreas.
Troque, com os demais colegas, as informações obtidas.
157
75 – IONIZAÇÃO – PODER DAS PONTAS – BLINDAGEM
ELETROSTÁTICA
OBJETIVOS
• Evidenciar os efeitos da ionização do ar e a influência de pontas
condutoras sobre corpos eletrizados.
• Mostrar a blindagem de pequenos objetos à indução eletrostática.
MATERIAL
Calha de PVC
Folha de papel
Alfinete ou agulha de costura
Suporte com grampo fixador
Feltro de lã natural
Fio de NiCr, ±25cm
2 pinos de fixação
Fita adesiva
Eletroscópio
Fonte de tensão
PROBLEMATIZAÇÃO
Aviões passam por nuvens carregadas eletricamente e os passageiros não
sofrem ação de raios. Como você explica esse fato?
DESENVOLVIMENTO
Após uma discussão rápida com os alunos sobre a questão inicial passe
para as etapas seguintes:
A) Fixe o suporte na beira da
mesa.
Encaixe os pinos em
dois furos afastados ± 20cm
um do outro. Estique um
pedaço de fio de NiCr preso
nas extremidades dos dois
pinos. Engate as garras da
fonte nas pontas dos pinos, do
outro lado do suporte. Coloque
o eletroscópio a ±10cm do
suporte. Passe a régua atritada
no feltro no terminal dele até
que sua lâmina flexível fique
bem afastada.
158
Observe que o aparelho pode permanecer carregado eletricamente por muito
tempo. Experimente então ligar a fonte e acompanhar o comportamento da
lâmina à medida que o fio vai ficando rubro.
B) Prenda agora um objeto de ponta fina (agulha, alfinete ou outro qualquer)
no botão do eletroscópio com fita adesiva. Experimente carregar o
aparelho com a régua atritada no feltro. Como você fez em A.
C) Corte uma tira de ±5cm em uma folha de papel e faça com ela um
cilindro com ±7cm de diâmetro. Pique uns pedacinhos de papel e coloque
alguns no interior no cilindro, deixando outros de fora. Atrite bem a régua
e experimente atrair os papeizinhos com ela, os de dentro e os de fora do
cilindro, sem introduzir a régua no cilindro.
QUESTÕES
1) Como você explica o que ocorreu em cada uma das situações A, B e C?
2) Poderíamos afirmar que o ar tornou-se condutor de eletricidade com a
presença do filamento rubro, na situação A? Nesse caso estaria então o fio
emitindo elétrons? Dê sua explicação.
3) A presença de um objeto pontiagudo certamente provoca alteração na
configuração do campo elétrico gerado por uma superfície carregada
eletricamente. Experimente explicar o que ocorreu na situação B partindo
deste pressuposto.
4) Experimente explicar o fato dos papeizinhos no interior do cilindro não
serem atraídos partindo da possibilidade do papel ter atuado como condutor
elétrico.
COMPLEMENTOS
1) Você deverá ter observado que a ponta metálica fina adaptada no
eletroscópio dificulta carrega-lo eletricamente ou mantê-lo carregado por
muito tempo. Na região da ponta o campo elétrico fica muito forte o que
permite o escape de cargas elétricas por ela. Pesquise sobre aplicações desta
propriedade na construção de pára-raios, nos aviões em outras situações.
2) Você deverá ter observado que no interior do cilindro os papeizinhos
ficaram protegidos. Podemos verificar que o papel descarrega a régua.
Experimente carregar o eletroscópio após passar a régua atritada no cilindro.
O papel comporta como um condutor de eletricidade. Isto é devido ao fato
de estarmos lidando com potencial elétrico muito alto (±10.000 Volts).
Como o campo elétrico não atua no interior de um condutor fica explicado
porque a régua só atraia os papelzinhos de fora do cilindro. Volte agora à
questão inicial, da problematização.
159
76 - TRABALHO NO CAMPO ELÉTRICO
OBJETIVOS
• Observar o movimento de um pêndulo em um campo elétrico uniforme;
• Elaborar o conceito de diferença de potencial elétrico a partir das
observações acima.
MATERIAL
Eletróforo
Bloco de madeira
Pino de fixação
Placa de PVC
1 canudo de refresco
Fio de nylon finíssimo
Placa de Al em L
Feltro de lã natural
Laminado Al
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer o pêndulo oscilar sem tocar nele ou assoprá-lo.
DESENVOLVIMENTO
Construa o pêndulo conforme o desenho. Use o laminado de Al para fazer
a bolinha e o fio de nylon para pendurá-la na ponta do canudinho, encaixado
na base através do pino de fixação.
Dê algum tempo para que os alunos
interajam com o material e experimentem
solucionar o desafio acima proposto.
Dando prosseguimento coloque a placa de
Al próxima ao pêndulo. Carregue o disco
metálico por indução. Para isso, toque nele
após colocá-lo sobre a placa de PVC, atritada
com o feltro. Depois o suspenda pelo cabo.
Tome cuidado para que o disco metálico não toque em nada depois de
carregado. Mantenha a bolinha do pêndulo entre uma face da placa de
alumínio e do disco do eletróforo. Observe o comportamento da bolinha nas
diversas repetições, que você fará, para diferentes distâncias entre as faces
metálicas.
QUESTÕES
1) Com base nas suas observações sobre a atividade experimental realizada,
comente os itens seguintes:
160
a) A face da placa de Al, voltada para a bolinha, mantém-se carregada,
com carga contrária à do disco, enquanto este estiver carregado;
b) Enquanto as superfícies metálicas estiverem carregadas e paralelas
entre si, haverá, entre elas um campo elétrico uniforme;
c) A bolinha entre as superfícies metálicas realiza trabalho mecânico
(T=Fd), transportando cargas de uma superfície para a outra;
d) As quantidades de carga elétrica nas superfícies metálicas e também a
distância entre elas afetam a intensidade do campo elétrico.
2) O que seria necessário para que o trabalho realizado sobre a bolinha fosse
mantido por longo tempo?
COMPLEMENTOS
1) Como já foi visto (Configurações do Campo Elétrico), o campo elétrico
entre dois planos paralelos carregados é uniforme. Este campo varia
proporcionalmente com a quantidade de cargas distribuídas nos planos, ou
seja, com a densidade de cargas deles.
Na atividade realizada, a bolinha metálica do pêndulo alterava a
densidade de carga das superfícies a cada vez que tocava nelas, visto que
removia elétrons da lâmina negativa para a lâmina positiva. Em cada
percurso, ela transportava uma carga q, que diminuía a cada ida ou volta. A
bolinha percorria a distância d, entre as placas, sob a ação da força elétrica,
F constante ao longo de um percurso. A força também diminuía
sucessivamente, devido à redução da intensidade do campo elétrico entre as
placas, em conseqüência da retirada das cargas transportadas pela bolinha.
O campo elétrico foi definido considerando-se a força elétrica exercida
sobre uma carga unitária positiva, a carga de prova. De forma semelhante,
pode-se considerar o trabalho realizado sobre a carga de prova, colocado
entre as lâminas carregadas, e definir uma grandeza que mede a energia do
campo capaz de realizar este trabalho. Chamando esta grandeza de diferença
de potencial elétrico entre as placas carregadas ou, mais resumidamente,
diferença de potencial elétrico, ou, simplesmente, tensão ou voltagem e
representando-a por V, temos:
V1 - V0 = ∆V,
sendo V1 > V0
Por definição: ∆V = T/q, como T = F d e F = E q, resulta: ∆V = E d
Verifique qual é a unidade de V no Sistema Internacional de Unidades (SI).
2) Na atividade desenvolvida, como seria possível manter a diferença de
potencial constante entre as placas?
161
77 - CONDENSADOR DE CARGAS (GARRAFA DE LEYDEN)
OBJETIVOS
• Construir um acumulador de cargas;
• Elaborar o conceito de corrente elétrica valendo-se desta prática como
referencial concreto.
MATERIAL
Laminado fino de Al
Lâmpada de neon
Feltro de lã natural
Rolha de borracha com furos
Proveta de polietileno
Calha de PVC
Vareta em L de 1/8” com 15cm
Placa de circuitos com lâmpadas
PROBLEMATIZAÇÃO
As pilhas e baterias liberam energia elétrica através de reações químicas,
já os capacitores simplesmente armazenam a energia elétrica. Como é
possível “prender” a energia elétrica neles?
DESENVOLVIMENTO
Revista externamente a proveta com laminado
de alumínio, até próximo sua borda. Coloque no
interior dela tiras de laminado de Al até a altura do
revestimento externo. Encaixe a rolha na proveta e
enfie a vareta por um dos furos.
A) Segure a proveta pela parte revestida e passe
na vareta a régua atritada com o feltro. Repita
esta operação diversas vezes para carregar bem
o condensador. Segure a lâmpada por um dos
terminais e a proveta pela parte revestida.
Depois toque o outro terminal da lâmpada na
vareta do condensador.
B) Segure a lâmpada por um dos seus terminais e mantenha o outro
encostado no revestimento metálico da proveta. Passe a calha carregada
eletricamente por atrito com o feltro pela haste metálica ligada ao interior
da proveta.
162
Após algumas repetições, mantenha a lâmpada encostada na parte revestida
da proveta e toque o dedo na haste, observando a lâmpada.
C) Carregue o condensador novamente, passando agora a régua carregada
eletricamente na parte revestida da proveta e o terminal da lâmpada
tocando a vareta. Após carregar bem o condensador, toque com o dedo
a parte revestida da proveta.
D) Verifique agora que o condensador continua carregado após ser tocado
por um só de seus pólos (tocar na parte revestida ou na vareta).
Carregue bem o condensador e a seguir toque com a lâmpada só um de
seus pólos e depois ligando a lâmpada aos dois pólos dele.
QUESTÕES
1) Com base nas suas observações, dê uma explicação para o funcionamento
do condensador.
2) Quando você liga a lâmpada de néon contactando o revestimento externo
e o interno do condensador, ela dá uma piscada forte, evidenciando
deslocamento de cargas entre elas. As cargas saem da parte negativa para
a positiva.
Que medidas poderiam ser tomadas para que a lâmpada brilhasse por
mais tempo?
COMPLEMENTOS
1) Em qualquer uma das sugestões que você tenha apresentado para a
questão 2 acima, é necessário que o fluxo de cargas elétricas, que passa
pela lâmpada, seja mantido durante o tempo desejado. Então, podemos
pensar no deslocamento das cargas como se elas formassem uma
corrente, semelhante à corrente de líquido no interior de um cano ligado
a uma caixa d’ água.
Assim teríamos: i = ∆ Q / ∆ t, onde i é a corrente elétrica que passa
pelo circuito e ∆Q a quantidade de carga que passa por um ponto no
circuito, no intervalo de tempo ∆ t.
Verifique qual é a unidade da corrente no Sistema Internacional de
Unidades (SI)?
2) Experimente ligar a fonte em 12V DC depois desliga-la e conectar suas
garras de saída aos terminais de uma das lâmpadas da placa de circuito.
Como você explica o fato da lâmpada acender durante um breve instante
estando a fonte desligada?
163
78 – TENSÃO, CORRENTE ELÉTRICA E RESISTÊNCIA
ELÉTRICA
OBJETIVOS
• Apresentar situações que exigem os conceitos de I ,V e R
• Mostrar os efeitos de I ,V e R em um circuito com lâmpada.
• Estabelecer os conceitos de I ,V e R.
MATERIAL
Fonte de tensão
Fio de niquel-cromo
Lâmpada de néon
Régua de madeira
Placa de circuitos com lâmpadas
Feltro de lã natural
Calha de PVC
PROBLEMATIZAÇÃO
Acender as lâmpadas de filamento e de néon empregando a fonte de tensão e
a régua de PVC atritada no feltro.
DESENVOLVIMENTO
Deixe inicialmente alguns alunos experimentarem aceder a lâmpada
conforme foi solicitado. Passe depois para as explorações seguintes:
A) Execute os procedimentos abaixo com a lâmpada de néon e depois com
uma das lâmpadas da placa de circuitos: 1) Pegue um dos terminais da
lâmpada e passe a régua de PVC, atritada no feltro pelo outro terminal dela.
2) Ligue os terminais da lâmpada às saídas da fonte de tensão (cada garra da
saída a um terminal da lâmpada, não importa em qual ligar o positivo ou o
negativo). Ligue a fonte em 12V AC. Observe em qual situação cada uma
das lâmpadas acende.
B) Mantenha uma das lâmpadas de filamento ligada à fonte de tensão.
Observe o brilho dela para a fonte ligada em 12V AC e em 24V AC.
C) Enrole ±1m de fio de NiCr na régua. Ligue uma de suas extremidades
em um dos terminais da lâmpada. Mantenha a fonte ligada em 12V AC com
uma das garras de saída ligada no outro terminal da lâmpada. Feche o
circuito encostando a outra garra no fio enrolado na régua em pontos
distintos desta (início, fim e intermediários). Observe o brilho da lâmpada
em cada instante.
164
C
D
E
D) Ligue agora um terminal da primeira lâmpada com um da segunda
lâmpada. O outro terminal da segunda lâmpada com um da terceira lâmpada
(ligação em série vide verso da placa de circuito). Mantenha a fonte ligada
em 12V AC com uma das saídas ligada ao terminal livre da primeira
lâmpada. Encoste a outra saída da fonte nos terminais das lâmpadas de
forma a acender: uma lâmpada, duas lâmpadas e as três lâmpadas. Observe o
brilho delas em cada caso.
E) Una os três terminais de um dos lados da placa de circuito. Do outro lado
da placa una o terminal da primeira com o da segunda lâmpada. Ligue agora
uma das garras de saída da fonte na união da primeira com a segunda
lâmpada e a outra garra da fonte no terminal livre da terceira lâmpada.
Coloque a chave de saída da fonte em 12V AC e ligue a fonte. Observe o
brilho das lâmpadas.
QUESTÕES
1) Na situação B você deverá ter observado que aumentando a tensão de
12V AC para 24 V AC o brilho da lâmpada aumenta. Verifique.
2) Na situação C você incluiu uma resistência elétrica no circuito e devera
ter observado que quanto maior a resistência menor era o brilho da
lâmpada. Comparando o que se observa em C e D pode-se concluir que o
filamento das lâmpadas incandescente é resistências elétricas?
3) Na situação E não alteramos a tensão (V) e nem a resistência elétrica (R)
do circuito. Apenas dividimos a corrente elétrica (I) que passava pela
lâmpada (1) de maior brilho entre as outras duas (2 e 3). Assim podemos
escrever I1 = I2 + I3 . Nos circuitos montados tínhamos três grandezas
elétricas envolvidas: V, R e I. Conceitue cada uma delas e depois
verifique como elas são conceituadas nos livros de física.
165
4) Os componentes e aparelhos elétricos são construídos para funcionar com
valores de V,R e I previamente estabelecidos. As lâmpadas de filamento
da placa de circuito utilizada nesta prática foram construídas para operar
sob tensão de 14V e corrente elétrica de 40mA e a lâmpada de néon para
tensão de 60V e corrente elétrica muito pequena, menor que 1mA.
Partindo destes dados explique porque a lâmpada de néon acendia com a
régua atritada e não acendia ligada a fonte de tensão e com a lâmpada da
placa de circuitos acontecia o contrario.
166
79 – RELAÇÃO ENTRE V, R e I - USO DO MULTÍMETRO
OBJETIVOS
• Montar um circuito elétrico resistivo;
• Medir tensão, corrente e resistência elétrica com multímetro;
• Comprovar a relação: V = R I
MATERIAL
Placa de circuitos com lâmpadas
Multímetro com cabos de provas
Fonte de tensão
Fita adesiva
Régua de madeira
Fio NiC
PROBLEMATIZAÇÃO
Se enfiarmos as pontas de um pedaço de arame nos pólos de uma tomada
ocorrerá uma explosão (um curto-circuito), porém, se colocarmos uma
lâmpada intercalada no circuito já não ocorrerá mais a explosão. Você sabe
muito bem disto. Como você explica este fato?
DESENVOLVIMENTO
Inicialmente simule a situação
acima. Pegue a ponta do fio de
niquel-cromo com uma das garras da
fonte, deixando uns 5 mm sobrando.
Ligue a fonte de tensão em 12V DC e
toque a outra garra na extremidade do
fio. (Cuidado para não se queimar no
fio incandescente.)
Repita o procedimento anterior conectando a garra da fonte a um dos
terminais de uma das lâmpadas da placa de circuito e encostando o outro
terminal da lâmpada à extremidade do fio de niquel-cromo. Após uma breve
discussão com os alunos passe para a etapa seguinte:
A) Dê umas 5 voltas com o fio de niquel-cromo ao longo do
comprimento da régua, mantendo as extensões do fio separadas
(use a fita adesiva para manter as espiras separadas). Encaixe os
pinos dos cabos de prova nos orifícios do multímetro (o preto no
terra, furo debaixo e o vermelho no furo do meio). Gire a chave
para a escala 200Ω.
167
Deverá aparecer o n.º 1 no visor e zero, zero virgula alguma coisa se você
unir as duas pontas de prova. Caso isto não ocorra troque a bateria do
aparelho (vide catálogo do fabricante). Ligue as extremidades do fio de
niquel-cromo às pontas de prova do multímetro e anote o valor da
resistência elétrica (R) do fio indicada no visor (emΩ).
Mantenha a ligação acima. Passe a chave do
multímetro para a escala 20V DC. Ligue a fonte de
tensão com saída de 12V DC e engate as garras de
saída às pontas de prova do aparelho (vermelho
com vermelho e preto com preto). Anote o valor da
tensão elétrica (V) do circuito indicada no visor do
multímetro (em volt).
Desligue a fonte de tensão. Passe o pino do cabo de prova vermelho para
o furo de cima do multímetro (10 A DC). Gire a chave do aparelho para a
escala 10 A DC. Engate uma das garras de saída da fonte de tensão a uma
das pontas de prova do multímetro (vermelha com vermelha ou preta com
preta). Engate a outra garra da fonte em uma das extremidades do fio de
niquel-cromo. Ligue a ponta livre do fio à outra ponta de prova do
multímetro. Mantenha a saída de tensão em 12V DC e ligue a fonte. Anote o
valor da corrente elétrica (I) indicada no multímetro (em A).
B) Com a fonte ligada na rede de 110V deslize a chave comutadora de
tensão de entrada para 220V. Desta forma a tensão de saída cai para
metade dos valores indicados. Com a fonte de tensão neste ajuste repita
os procedimentos anteriores, feitos no item A.
QUESTÕES
1) Empregando os valores anotados de V, R e I verifique se o produto de R
por I corresponde ao valor de V.
2) Os valores de V que você calculou foram próximos aos valores das
tensões medidas no circuito? A partir dos resultados obtidos nesta prática
você concorda com a equação: V=R I? Comente.
3) Na sua avaliação em que momento foi cometido maior erro na medição
das grandezas do circuito empregado?
COMPLEMENTO
Partindo da relação V = R I tente explicar a questão inicial, apresentada
na problematização.
168
80 – RESISTORES ELÉTRICOS ÔHMICOS E NÃO ÔHMICOS
OBJETIVOS
• Verificar a variação da resistência elétrica em alguns materiais com
aumento da sua temperatura
• Operar com um resistor ôhmico
MATERIAL
Fonte de tensão
Multímetro com cabos de prova
Fio de niquel-cromo (±24Ω /m)
Fogareiro
Fita adesiva
Grafite de lápis
Régua de madeira
Placa de circuito com lâmpadas
PROBLEMATIZAÇÃO
A lâmpada incandescente emite luz através do aquecimento do filamento
de tungstênio que possui no interior rarefeito do bulbo de vidro. O filamento
atinge temperatura próxima a 2000°C. De quanto deverá variar a resistência
elétrica do filamento?
DESENVOLVIMENTO
Após ouvir algumas especulações dos alunos sobre a questão acima passe
para a verificação experimental dela.
Coloque o multímetro na escala 200Ω e meça a resistência interna de
uma das lâmpadas da placa de circuitos, com ela desligada. Liga essa
lâmpada à fonte de tensão com a chave de saída na posição 12V DC. Com o
multímetro na escala 20V DC meça a tensão elétrica nos terminais da
lâmpada. Passe depois o cabo de provas positivo para o furo superior do
multímetro e posicione a chave dele em 10A. Coloque o aparelho em série
no circuito e meça então a corrente elétrica que circula por ele. Com estes
valores determine a resistência do filamento incandescente (V = RI ou R =
V/I ). Compare o valor calculado com o valor da resistência medido com a
lâmpada desligada. Comente os resultados encontrados com os alunos e
passe para as etapas seguintes:
A) Coloque o multimetro na escala 200Ω.
Ligue as pontas de prova a um pedaço de
±20cm de fio de niquel-cromo. Verifique
o que ocorre com o valor da resistência do
arame quando ele é aquecido na chama do
fogareiro. (Tome cuidado ao lidar com
fogo álcool e objetos quentes )
169
B) Repita os procedimentos de A
após substituir o fio de niquelcromo por um grafite de lápis.
C) Enrole ± 2 m de fio de niquel-cromo na régua de forma que uma espira
não toque na outra. Meça a resistência elétrica dele. Coloque depois a chave
de saída da fonte em 12V DC e conecte as garras dela nas pontas do fio
enrolado. Com o multímetro na escala 20V DC meça a tensão fornecida pela
fonte. Mantenha a tomada da fonte na rede de 110V e passe a chave
comutadora da tensão de entrada na fonte para 220V e leia novamente a
tensão que ela fornece ao fio enrolado na régua. Desloque o pino do cabo de
provas positivo para o furo superior do multímetro. Gire a chave dele para a
escala 10A. Intercale o aparelho em série no circuito e leia o valor da
corrente elétrica que passa pelo fio de niquel-cromo quando se aplica cada
uma das tensões acima.
QUESTÕES
1) O que aconteceu com o valor da resistência elétrica do fio de niquelcromo e da grafite ao serem aquecidos?
2) Verifique se houve alteração no valor da resistência elétrica do fio de
niquel-cromo, empregado na situação C, quando o mesmo foi submetido
às tensões elétricas V1 e V2 . (R = V1/I1 , R2 = V2/I2 ). Os valores de R1 e
R2 foram iguais ao valor da sua resistência, R0 , medido inicialmente?
3) Se o valor da resistência do fio de niquel-cromo, empregado na situação
C, foi mantido constante ( ou quase ) podemos afirmar que a corrente que
passou por ele foi proporcional ao valor da tensão aplicada (I = V/R ).
Verifique.
COMPLEMENTO
Quando a corrente elétrica que passa por um resistor é diretamente
proporcional à tensão elétrica a que é submetido dizemos que este resistor é
ôhmico, ou seja, obedece a lei de Ohm. Veja nos livros de Física como essa
lei é enunciada.
170
81 – ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES
OBJETIVOS
•
Medir a resistência equivalente de resistores em série e paralelo;
•
Analisar circuitos com associação de lâmpadas.
MATERIAL
Fio de niquel-cromo(±24 Ω/m)
Placa de circuitos com lâmpadas
Multímetro com cabos de prova
PROBLEMATIZAÇÃO
Se em uma associação de lâmpadas em série uma brilhar mais do que as
outras significa que sua resistência é maior ou menor que a resistência das
outras?
DESENVOLVIMENTO
Ligue inicialmente as três lâmpadas do circuito
para verificar se uma delas brilha mais do que as
outras. Use o multímetro para medir a resistência
de cada uma delas (O circuito terá que estar
desligado). Discuta a questão inicial brevemente
com os alunos e passe para as etapas seguintes:
A) Explore a placa de circuitos. Inicialmente
ligando as lâmpadas em série e depois em
paralelo. Destaque a intensidade do brilho e o que
sucede com as demais lâmpadas do circuito
quando uma delas é desligada. Faça o mesmo
para os outros dois circuitos mistos possíveis de
serem montados com a placa de circuitos (vide
verso da placa).
B) Mantenha a placa de circuito desligada da
fonte de tensão e o multimetro na escala de
200Ω. Meça a resistência de cada lâmpada e
depois a resistência delas associadas em série e
em paralelo. Anote os valores.
171
OBS: Quando você efetuou as medições acima o multímetro operou com
valores próximos ao fim da escala e a margem de erro certamente foi muito
alta. Para evitar este inconveniente é bom você utilizar resistores de maior
valor. Uma opção é empregar três extensões do fio de niquel-cromo com
±2m esticadas em três pregos (dois próximos e o terceiro bem afastado).
Para o circuito em série você deverá isolar os pregos (use fita adesiva ou tira
de papel enrolada neles).
QUESTÕES
1. Como você explica a diferença na intensidade do brilho das lâmpadas
quando foram ligadas em série e em paralelo, na situação A?
2. Partindo da equação: V = R I e do fato de você ter aplicado uma mesma
tensão nos dois circuitos das lâmpadas ligadas em série e em paralelo o
que é possível afirmar sobre R e I nesses circuitos?
3. Das três grandezas de um circuito resistivo: V, R e I qual delas mantémse comum para os resistores associados:
a) Em série?
b) Em paralelo?
4. Empregando as grandezas V, R e I dê sua explicação para o fato das três
lâmpadas terem brilhos diferentes em cada um dos circuitos mistos
montados.
5. Com os valores anotados, na situação B, verifique as equações para a
resistência equivalente ao conjunto de resistências do circuito:
a) R = R1 + R2 + R3 ..... para os resistores associados em série.
b) 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 ..... para os resistores associados em
paralelo.
COMPLEMENTOS
1. O brilho de uma lâmpada está relacionado ao produto da tensão elétrica
(V) a que está submetida pela corrente (I) que passa pelo seu filamento.
O produto V I corresponde à energia elétrica dissipada em calor e luz
pela lâmpada, em cada unidade de tempo e é chamado de potência
elétrica. Assim: P = T/Δt = V I como V = R I podemos expressar a
potência como: P = R I² ou ainda P = V²/R
Com estas informações explique a questão inicial da problematização.
2. Se três lâmpadas de resistências diferentes forem ligadas em paralelo o
que podemos dizer sobre o brilho da lâmpada de maior resistência em
relação ao brilho das demais?
172
82 – EFEITO JOULE - POTÊNCIA ELÉTRICA
OBJETIVOS
• Evidenciar o efeito Joule
• Usar o efeito Joule para confirmar a equação: P = V I
• Destacar a importância do efeito Joule no nosso cotidiano.
MATERIAL
Fonte de tensão
Multímetro com cabo de prova
Fio de niquel-cromo (± 20Ω/m)
Bloco de madeira
Erlenmeyer
Termômetro
Gominha
Dois pinos de fixação
PROBLEMATIZAÇÃO
Se ligarmos um fio de resistência que tenha uma parte reta e outra
enrolada em forma de mola, de pequeno calibre, a uma fonte de tensão as
duas partes ficarão igualmente rubras? Explique.
DESENVOLVIMENTO
Pegue um pedaço de ± 40cm do fio de niquel-cromo. Enrole a metade
dele na ponta de um dos pinos fazendo uma molinha. Encaixe os pinos no
bloco de madeira e amarre o fio com a molinha nas extremidades deles.
Após ouvir as opiniões dos alunos sobre a questão acima faça a verificação
experimental dela. Ligue as garras de saída da fonte nos dois pinos da
montagem, com a fonte em 24V AC. (Cuidado para não se queimar!)
Faça uma discussão
breve com os alunos
sobre o que eles
observaram e passe
para as outras etapas.
A) Coloque 250 ml de água no Erlenmeyer. Ponha o
frasco sobre a região central do feltro. Prenda as pontas
do feltro no gargalo dele com a gominha. Mergulhe a
molinha de niquel-cromo na água posicionando-a bem
no meio do Erlenmeyer com as garras de saída da fonte
presas às suas extremidades.
173
Meça a temperatura da água antes de ligar a fonte em 12V DC e, após
passarem 5 minutos e depois, mais 5 minutos. (Misture a água com o
próprio termômetro, sem interromper o circuito elétrico.) Anote os
valores.
B)Com o multímetro na escala 20V DC meça a tensão aplicada no
aquecedor acima. Depois passe a chave do multímetro para a escala 10A
DC (o pino positivo do cabo de prova deverá ser deslocado para o furo de
cima). Ligue o aparelho em série no circuito e meça a corrente que o
alimenta. Anote os valores.
QUESTÕES
1) Fora da água a molinha ficava rubra quando o circuito era percorrido
pela corrente elétrica e quando ela estava na água isso não acontecia. Como
você explica esse fato?
2) Para aquecer a água foi necessária energia, que era fornecida pela fonte
de tensão. Para elevar a temperatura da água de 1º C era necessário sempre a
mesma quantidade de energia. Com base no item A comente as duas
afirmações acima.
3) Considerando o volume da água em gramas (250g), a massa do
erlenmeyer igual a 110g e o calor especifico do vidro igual a 0,2 cal/g ºC
determine a quantidade de calor envolvida no aquecimento da água e do
frasco. (Q = m c Δt, no caso Q=Qágua + Qfrasco).
4) Calcule também o produto da tensão elétrica do circuito, pela corrente
que circulava nela vezes o tempo considerado (em segundos). Desta forma
você estará calculando a energia elétrica dissipada pelo circuito em forma de
calor (ΔE = VIΔt)
5) Lembrando-se da equivalência entre caloria e Joule: 1 Cal = 4,18 J .
Verifique se há equivalência entre os valores encontrados nas questões 3 e 4.
COMPLEMENTOS
1) Quais os aparelhos elétricos de aquecimento que você utiliza em sua
casa? Qual o princípio de funcionamento deles?
2) A potência elétrica ( P = VI ) vem expressa nos aparelhos, verifique. A
partir de P e V, expressos neles, calcule a corrente (I) que circula em
cada aparelho que você verificou quando é submetido à tensão
especificada nele.
3) Vimos que é possível transformar energia elétrica em energia térmica. E a
conversão inversa, transformar calor em energia elétrica, é possível?
(vide prática 46 – Termopar).
174
83 – CAMPO MAGNÉTICO EM UM CONDUTOR ELÉTRICO
( EXPERIÊNCIA DE OERSTED )
OBJETIVOS
• Mostrar o aparecimento de um campo magnético em torno de um
condutor elétrico.
• Determinar a direção e o sentido do campo magnético em um condutor
elétrico em função do sentido da corrente elétrica que passa por ele.
• Evidenciar formas de intensificar o campo magnético gerado por uma
corrente elétrica.
MATERIAL
Imã
Fonte de tensão
Bloco de madeira
Três pinos de fixação
Fio de cobre
Núcleos de ferro ( U e I )
Agulha magnética para bússola
Bobina (300 +300 espiras)
PROBLEMATIZAÇÃO
Fazer a agulha magnética girar sem tocar nela, ou assoprá-la, nem
empregar imã ou objeto de ferro.
DESENVOLVIMENTO
Encaixe um pino no bloco de
madeira com a ponta para cima.
Equilibre a agulha magnética
sobre esta ponta. Deixe então que
os
alunos
experimentem
solucionar o desafio. Após algum
tempo complete a montagem.
Encaixe outros dois pinos no bloco de madeira, alinhados com o
primeiro. Estique um pedaço de fio de cobre entre estes dois pinos, tendo
antes raspado o verniz das duas pontas dele.
175
Posicione a chave da saída da fonte em 12V DC e conecte as garras de
saída nos dois pinos interligados com o fio de cobre. Gire o conjunto até a
agulha ficar alinhada com o fio de cobre (debaixo dele). Ligue a fonte por
um breve instante enquanto observa a agulha magnética.
Atenção: a fonte estará em curto-circuito e não poderá ficar ligada
assim, a não ser por alguns segundos.
Ligue e desligue a fonte mais algumas vezes para certificar-se bem sobre
o comportamento da agulha magnética.
Experimente sincronizar as interrupções no circuito de forma que a
agulha gire sem parar.
Passe agora para outras investigações.
A) Observe o sentido da corrente que passa pelo fio de cobre quando a fonte
é ligada e a posição dos pólos norte e sul da agulha (use o imã para
certificar se a polaridade da agulha está correta). O pólo norte é pintado
de vermelho e o pólo sul de azul.
B) Mantenha a fonte de tensão com a saída de 12V DC e conecte as garras
dela nos terminais da bobina (600 espiras). Aproxime um dos pólos do
imã (norte, face vermelha e sul, face azul) de uma das faces com furo da
bobina. Observe o sentido da interação entre o imã e a bobina. Repita o
procedimento invertendo ou o pólo do imã ou a face da bobina (face
oposta).
C) Refaça o item B colocando agora os núcleos de ferro, em forma de I, no
furo da bobina.
QUESTÕES
1) Todos experimentos realizados nesta prática evidenciaram o
aparecimento de propriedades magnéticas em volta de um fio percorrido
por uma corrente elétrica. Falta ainda descobrir uma forma prática para
indicar qual a direção e o sentido do campo magnético em função da
corrente elétrica geradora do campo. Imagine você pegando o fio com a
mão direita ( os dedos envolvendo o fio e o polegar esticado ao longo
dele) e determine a direção e o sentido do campo magnético que aparece
no fio considerando o sentido da corrente e seus dados.
2) Como você explica o fato da intensidade do campo magnético gerado por
uma corrente aumentar quando o fio é enrolado (se faz uma bobina)?
3) Que outros recursos, além de embobinar o fio, têm para intensificar o
campo magnético gerado por uma corrente elétrica?
176
COMPLEMENTOS
1) Procure em livros de Física explicação para o fato do núcleo de ferro
intensificar o campo magnético em uma bobina circulada por uma
corrente elétrica.
2) Encaixe dois Us e um I no núcleo da bobina e coloque o outro I
atravessado, em contato com as extremidades dos Us, e ligue a bobina à
fonte em 12V DC. Experimente afastar I do contato com o núcleo da
bobina.
3) Faça agora a montagem feita anteriormente, porém com as duas bobinas
interligadas de forma que seja mantido o sentido do enrolamento do fio.
Veja se você consegue afastar o I quando a fonte é ligada?
4) Imante a agulha magnética empregando as bobinas com os núcleos de
ferro no seu interior, ligadas de acordo com a questão anterior.
177
84 – CORRENTE INDUZIDA – LEI DE LENZ –
AUTO INDUÇÃO
OBJETIVOS
• Mostrar o aparecimento de corrente elétrica quando um imã é
aproximado ou afastado de uma espira condutora.
• Apresentar formas de intensificar a corrente induzida
• Evidenciar a lei de Lenz
• Mostrar o fenômeno de auto indução.
MATERIAL
Fio de cobre
Imã
Fonte de tensão
Multímetro
Bobinas (300 + 300 espiras)
Lâmpada de néon
Núcleo de ferro U e I
PROBLEMATIZAÇÂO
Geralmente lâmpadas e aparelhos elétricos estragam (“queimam”) no
instante que são ligados ou desligados. Como explicar esse fato?
DESENVOLVIMENTO
Transpasse as duas bobinas com os
núcleos de ferro (2Us e 1 I) e coloque o outro
I sob o conjunto em contato com as pontas
dos 2Us. Ligue as duas bobinas para se obter
1200 espiras em um mesmo sentido.
Posicione a chave de saída da fonte de tensão
em 24V AC. Conecte as garras de saída da
fonte em 2 pólos de uma das bobinas
correspondentes à 300 espiras. Ligue a fonte
e conecte os terminais da lâmpada de neon
em dois pólos das bobinas correspondentes a:
a) 300 espiras
b) 600 espiras
c) 900 espiras
d)1200 espiras
Gire a chave do multímetro para a escala 200V AC e meça as tensões nos
pólos acima (a, b, c e d). A lâmpada deverá ter acendido em d quando a
tensão atingiu cerca de 60 volt.
178
Volte agora a lâmpada para os terminais correspondentes a 900 espiras,
tensão próxima a 40 volt. Mantenha a fonte ligada e promova interrupções
no circuito removendo uma das garras da fonte (toque e afaste a garra do
pólo a que estava conectada).
Certamente a lâmpada de néon piscou em cada instante que o circuito foi
interrompido. A partir das observações feitas discuta a questão inicial, da
problematização com os alunos.
Passe a seguir para os procedimentos seguintes:
A) Peque ± 20cm de fio de cobre. Raspe o verniz de suas extremidades.
Faça com ele uma espira e conecte suas pontas às pontas de prova do
multímetro. Gira a chave do aparelho para a escala 200 mA. Observe no
visor o que ocorre quando você aproxima e depois afasta um dos pólos do
imã da região central da espira. Faça isto de forma rápida e de forma
lenta.
B) Substitua a espira por uma das bobinas, ligada às pontas de prova do
multímetro nos terminais intercalados por 600 espiras. Repita os
procedimentos da situação A.
C) Experimente repetir os procedimentos
de B após preencher a bobina com os
núcleos de ferro.
D) Volte á situação B e observe o sinal da
corrente que aparece na bobina quando
você aumenta o fluxo do campo
magnético sobre a bobina (aproxima o
pólo norte ou afasta o pólo sul do imã).
Verifique também o sinal da corrente quando você diminui o fluxo do campo
magnético sobre a bobina (aproxima o pólo sul ou afasta o pólo norte do
imã). Repita as variações acima do outro lado da bobina. Use a regra da mão
direita para verificar o sentido da corrente induzida na bobina e a variação do
fluxo magnético.
QUESTÕES
1) Você observou que a condição para aparecer a corrente elétrica induzida
é a variação do fluxo magnético sobre a espira? Você observou também
que a intensidade da corrente e o sentido dela dependem da variação do
fluxo magnético sobre a espira?
179
2) Dispondo-se de alguns metros de fio de cobre envernizado, um prego
grande e um imã, como você faria para obter, com este conjunto,
correntes induzidas mais intensas possíveis?
3) Você já sabe que aparece um campo magnético envolvendo uma bobina
quando uma corrente elétrica circula por ela. Tomando a bobina com a
mão direita e com o dedo polegar apontando no sentido da corrente os
outros dedos, passando pelo interior dela, indicam o sentido sul para o
norte do campo magnético gerado pela corrente elétrica que circula a
bobina (Na base dos dedos estará o sul e nas suas pontas o norte
magnético da bobina). Verifique, através da situação D, que o campo
magnético oriundo da corrente induzida tende sempre a se opor ao fluxo
magnético que induz a corrente.
COMPLEMENTOS
1. Verifique nos livros de Física como é anunciada a lei de Lenz.
2. Na situação C é possível acender um led ligado os terminais da bobina .
Experimente
180
85 – CORRENTE ELÉTRICA CONTÍNUA E ALTERNADA
OBJETIVOS
• Mostrar a diferença entre corrente elétrica contínua e corrente elétrica
alternada
• Mostrar que em um led a corrente elétrica só circula em um sentido.
MATERIAL
Fonte de tensão
Placa de circuito com lâmpadas
Agulha magnética para galvanômetro
Led (providenciar)
Bobina (300 + 300 espiras)
PROBLEMATIZAÇÃO
Como saber se os elétrons deslocam em um só sentido em um condutor
ou se simplesmente oscilam se não podemos enxergá-los?
DESENVOLVIMENTO
Após ouvir as opiniões dos alunos sobre a questão acima passe a
elucidação do problema através de efeitos da corrente continua e alterada.
A) Coloque a bobina sobre a mesa com o
furo para cima e neste a agulha, equilibrada
pelas bordas. Conecte as garras da fonte nos
terminais da bobina correspondentes a 600
espiras. Coloque inicialmente a chave da
saída em 12V DC. Ligue a fonte e observe a
agulha. Inverta a conexão positiva pela
negativa (troque as garras de posição) e
observe o que acontece com a agulha.
Passe então a chave de saída da fonte para 12V AC e veja como comporta
a agulha.
Ligue em série as lâmpadas da placa de circuito. Conecte uma das garras
de saída da fonte em um dos terminais livres das lâmpadas interligadas.
Pegue com a outra garra da fonte uma das pernas do led.
181
Posicione a chave de saída da fonte em
12V DC e a chave de alimentação em
220V, mas com a fonte conectada à
rede de 110V. Ligue a fonte e encoste a
outra perna do led ao terminal livre das
lâmpadas. Veja se o led acende. Inverta
a posição do led passando a garra da
fonte para a outra perna dele. Observe
se ele acende ao tocar a perna livre dele
ao terminal livre das lâmpadas.
C) Repita os procedimentos de B após transferir a chave de saída da fonte
para 12V AC.
QUESTÕES
1) O que você observou em cada situação, A,B e C? Como você explica
suas observações?
2) Certamente que na situação B o led só acendeu quando o sentido da
corrente coincidiu com o sentido no qual ele permite a passagem de
corrente. Com base nas suas observações você pode afirmar que a
corrente elétrica que passa pelo circuito, na situação C, é contínua?
COMPLEMENTOS
1) A partir da situação B determine o pólo positivo e o pólo negativo do led.
Volte ao circuito da situação C e identifique o sentido da corrente que
circula por ele.
2) Se a bobina com a agulha for ligada, em série, no circuito da situação C
como ela se comportará? Verifique.
182
86 – CAMPO MAGNÉTICO – IMÃS PERMENENTES E
TEMPORÁRIOS
OBJETIVOS
• Mostrar a configuração de alguns campos magnéticos;
• Construir eletroímã;
• Mostrar o aparecimento de campo magnético em uma barra de ferro
induzido por um imã.
MATERIAL
Folha de papel
Fonte de tensão
Núcleos de ferro U e I
Imãs
Fio de cobre
Bobina
Limalhas de ferro
PROBLEMATIZAÇÂO
Como recolher limalhas de ferro espalhadas pelo chão com um imã sem
que ele fique grudado de limalhas?
DESENVOLVIMENTO
Deixe a questão acima para ser abordada no final quando você tiver que
recolher limalhas de ferro que respingarem sobre a mesa.
Atenção: evite que
os imãs caiam ou
batam forte um no
outro
eles
são
frágeis a impacto
mecânico,
podem
quebrar ou soltar
pequenas
lascas
cortantes, além disto,
o choque mecânico
pode
reduzir
o
campo
magnético
deles.
A) Inicialmente coloque um imã sobre a mesa com sua orientação magnética
paralela a superfície (para destacar a polaridade dos imãs geralmente
pinta-se de vermelho o pólo norte e de azul o pólo sul). Cubra-o com uma
folha de papel.
183
Espalhe limalhas de ferro sobre a folha (retire antes o disco de vedação
sob a tampa do frasco). Dê um toque na mesa ou uma trepidada na folha
para deixar as linhas de força do campo magnético mais evidenciadas.
Observe bem a configuração obtida. Obs: Não deixe as limalhas caírem
sobre os imãs senão elas grudam neles, tornando-se difícil removê-las.
Para retirar o imã sob a folha firme esta e afaste o imã. Dobre a folha e
volte com as limalhas para o frasco.
B) Coloque agora dois imãs paralelos e afastados ± 10cm um do outro com
seus campos magnéticos em um mesmo sentido (norte de um deles de
frente para o sul do outro). Para evitar que eles se unam prenda-os com
fita adesiva ou coloque algum objeto (que não seja de ferro) entre eles.
Cubra-os com uma folha de papel e espalhe limalhas de ferro sobre eles
até obter uma configuração completa do campo magnético do conjunto.
C) Repita o item B invertendo agora os sentidos dos campos magnéticos dos
imãs (norte de frente para norte ou sul de frente para sul).
D) Coloque sobre a mesa um U e um I de ferro e a bobina. Cubra-os com
uma folha de papel e espalhe limalhas de ferro sobre ela, nas regiões das
peças. Verifique se algum campo magnético ficou esboçado.
E) Coloque agora um imã e uma das peças de ferro (U ou I), dentro do seu
campo de ação, sob a folha de papel. Espalhe limalhas de ferro sobre ela
na região que cobre o conjunto. Observe o desenho formado.
F) Cubra a bobina com a folha de papel após ligá-la à fonte de tensão com a
chave de saída em 12V DC. Espalhe limalhas sobre a folha. Observe o
posicionamento das limalhas.
QUESTÕES
1) Faça desenhos ilustrando cada situação apresentada e depois compare
com ilustrações de campos magnéticos encontrados nos livros de Física
2) Você observou que as limalhas de ferro, sob ação do campo magnético,
configuram linhas que vão de um pólo ao outro? Convencionando que as
linhas de força do campo magnético partem do pólo norte para o pólo
sul, coloque setas nos seus desenhos definindo os sentidos dos campos
magnéticos ilustrados.
3) Dê sua explicação para o fato da peça de ferro comportar-se como imã
sob influência de um imã. Pesquise o assunto nos livros de Física. Como
você explica o aparecimento do campo magnético na bobina (vide
prática 83). Leia sobre a experiência de Oersted nos livros de Física.
184
COMPLEMENTOS
1) Enrole ± 1m de fio de cobre em uma das barras de ferro. Conecte as
garras de saída da fonte de tensão às pontas do fio, após raspar o verniz
delas. Aproxime o conjunto de outra barra de ferro ou de um montinho
de limalhas de ferro. Observe o que ocorre quando você liga e depois
desliga a fonte de tensão (com a chave de saída em 12V DC).
2) Experimente pegar os imãs com as pontas dos dedos, um em cada mão,
esticar os braços e a seguir unir os dois pólos norte ou os dois pólos sul
dos imãs. (As duas faces vermelhas ou as duas azuis.)
3) Encaixe os núcleos de ferro no interior da bobina, deixando uma barra
atravessada em contato com as extremidades das outras. Ligue a bobina
à tensão de 12V DC e experimente remover a barra atravessada.
4) Avaliando o que foi feito nesta prática você tem três opções para
solucionar o desafio da problematização. Volte a ele.
185
87 - FORÇA SBRE UM CONDUTOR DENTRO DE UM CAMPO
MAGNÉTICO
OBJETIVOS
• Evidenciar a força sobre um condutor dentro de um campo magnético;
• Usar a regra da mão direita para identificar o sentido da força sobre o
condutor dentro de um campo magnético.
MATERIAL
Fonte de tensão
Tubo de 1/8"Ø
Suporte com grampo fixador
Eixos de 1/8"Ø
Imã
PROBLEMATIZAÇÂO
Como exercer força sobre um arame de cobre (ou de latão, ou de
alumínio) com um imã?
PROCEDIMENTO
Após conceder alguns minutos para que os alunos enfrentem o desafio
acima parta para a montagem seguinte:
A) Fixe o suporte na lateral do tampo da mesa através do grampo de
fixação. Encaixe os dois eixos nos furos próximos as laterais do suporte
logo abaixo do furo maior. Engate as garras de saída da fonte nas pontas
dos eixos transpassados no suporte. Encaixe agora um imã no furo
grande logo abaixo dos dois eixos. Coloque o tubinho sobre os dois
eixos. Posicione a chave de saída da fonte em 12V DC. Ligue a fonte
atento ao tubinho.
Obs.: O óxido que se forma na
superfície do latão pode impedir a
passagem de corrente elétrica no
circuito, para evitar este inconveniente
limpe os dois eixos e o tubinho com
palha de aço fina.
186
QUESTÕES
1) Por que o tubinho sobre os dois cilindros condutores e sob influência de
um campo magnético se desloca, quando uma corrente elétrica passa por
ele?
2) Posicione sua mão direita aberta de forma que o dedo polegar tenha a
direção e o sentido da corrente que passa pelo tubinho e os outros dedos a
direção e o sentido das linhas de força do campo magnético do imã (sai do
pólo norte e entra no pólo sul). A força sobre o tubinho tem direção normal
ao plano da mão e seu sentido é saindo da mão. Confira.
COMPLEMENTOS
1) Faça uma pesquisa em livros de Física sobre a origem da força sobre um
condutor elétrico dentro de um campo magnético.
2) Ligue um pedaço de fio de cobre bem flexível na fonte de tensão em 12V
DC e aproxime dele um dos pólos de um imã e depois o outro pólo. Volte
agora a questão inicial da problematização.
187
88 – TRANSFORMADOR ELÉTRICO
OBJETIVOS
• Montar um transformador
• Mostrar uma forma de ajustar o valor da tensão elétricas às necessidades
de uso
• Evidenciar o principio de funcionamento de um transformador de tensão
elétrica.
MATERIAL
Bobinas (300 +300 espiras)
Placa de circuitos com lâmpadas
Lâmpada de néon Fonte de tensão
Multímetro
Núcleos de ferro U e I
PROBLEMATIZAÇÃO
Você sabe que levará choque se tocar nos pólos de uma tomada de 110V
e já sabe, também, que os terminais da fonte de tensão, que temos usado não
dão choque, embora a fonte esteja ligada na tomada de 110V. Como você
explica este fato?
DESENVOLVIMENTO
Após
ouvir
e
comentar algumas das
explicações
dadas
pelos alunos à questão
acima passe para as
explorações seguintes:
A) Coloque uma bobina sobre a outra e transpasse as duas com os núcleos de
ferro (2Us e 1I). Coloque uma das barras de ferro sob o conjunto em
contato com as extremidades das outras encaixadas nas bobinas.Uma das
bobinas será ligada à fonte de tensão (será a bobina do primário ou
bobina indutora) e a outra será ligada à uma das lâmpadas da placa de
circuitos (será a bobina do secundário ou bobina induzida). Observe o
brilho da lâmpada em cada uma das ligações orientadas no quadro
abaixo.
188
B) Com a chave do multímetro em 200V AC meça as tensões de entrada na
bobina do primário e as tensões de saída nos terminais da bobina do
secundário. Preencha o quadro abaixo com os valores encontrados.
Posição da
chave de
saída da
fonte de
tensão
Nº de espiras
entre os
terminais de
entrada no
primário
12 V AC
300 espiras
300 espiras
12 V AC
300 espiras
600 espiras
12 V AC
600 espiras
300 espiras
12 V AC
600 espiras
600 espiras
12 V DC
300 espiras
300 espiras
12 V DC
300 espiras
600 espiras
12 V DC
600 espiras
300 espiras
12 V DC
600 espiras
600 espiras
Tensão
fornecida
ao
primário
Nºde espiras
entre os
terminais de
saída no
secundário
Tensão de
saída no
secundário
Brilho da
lâmpada
QUESTÕES
1) Você deverá ter observado que só há tensão nos terminais da bobina do
secundário quando a tensão de entrada no primário é alternada. Como
você explica este fato?
2) No transformador temos o circuito indutor (ou primário) e o circuito
induzido (secundário) e um núcleo de ferro para intensificar o efeito de
indução elétrica (vide prática 84 – Corrente induzida). Verifique através
do quadro acima qual a condição para que a tensão de saída no circuito
induzido seja:
a) Maior do que a tensão de entrada no circuito indutor.
b) Seja menor do que a tensão de entrada no circuito indutor.
c) Permaneça a mesma.
189
COMPLEMENTOS
1) Se não houvesse perdas de energia no nosso transformador a potência
elétrica no primário e secundário seriam as mesmas(PP = PS ) e a relação
entre tensão e numero : de espiras no primário e secundário seria:
VP
NP
=
Vs
Ns
a) Verifique, através dos valores anotados no quadro acima qual a
porcentagem de perda de potência neste transformador.
b) Como essa energia é dissipada?
2) No caso da nossa fonte de tensão, teoricamente ela transforma 120V para
12V.
a) Qual bobina tem mais espiras a primária ou secundária?
b) Qual a relação entre o número de espiras do primário e secundário do
transformador dela?
190
ÍNDICE
Agradecimentos
Informação
Prefácio
Apresentação
Estrutura das atividades propostas
1 - Como efetuar uma medida
2 – Período do pêndulo simples
3 – Medindo massas
4 – Composição de forças I – Introdução
5 – Composição de forças – Processo geométrico
6 – Composição de forças – Processo algébrico
7 – Decomposição do peso no plano inclinado
8 – Lei de Hooke
9 – Características de um movimento
10 – Movimento retilíneo (MRU e MRUA)
11 – Movimento circular – Modelo para sistema solar
12 – Determinação da aceleração gravitacional local
13 – Simulando aumento da aceleração gravitacional
14 – Queda dos corpos (I)
15 – Queda dos corpos (II)
16 – Força de atrito de arrastamento
17 – Força de atrito de rolamento
18 – Determinação coeficiente de atrito através do plano inclinado
19 – Redução do atrito
20 – Princípio da inércia
21 – Primeira Lei de Newton
22 – Segunda Lei de Newton
23 – Terceira Lei de Newton – I
24 – Terceira Lei de Newton – II
25 – Peso e massa
26 – Trabalho mecânico
27 – Energia potencial gravitacional
28 – Energia potencial elástica e energia potencial gravitacional
29 – Energia potencial elástica e energia cinética
30 – Transferência de energia: ressonância
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31 – Máquinas simples – I – Alavanca
II – Roldanas
III – Plano inclinado
IV – Sarilho
V – Polias com correia
32 – Máquina composta – GRUA
33 – Choque mecânico
34 – Pressão
35 – Densidade
36 – Pressão nos líquidos
37 – Pressão atmosférica
38 – Vasos comunicantes – transferência de líquidos
39 – Empuxo – I
40 – Empuxo – II
41 – Ondas estacionárias (transversais)
42 – Ondas estacionárias (longitudinais)
43 – Dilatação linear
44 – Dilatação superficial
45 – Dilatação volumétrica
46 – Termopar
47 – Transferência de calor por condução térmica
48 – Transferência de calor por correntes de convecção – I
49 – Transferência de calor por correntes de convecção – II
50 – Transferência de calor por radiação
51 – Temperatura de ebulição da água
52 – Destilação
53 – Transformação isobárica
54 – Transformação isovolumétrica
55 – Transformação isotérmica
56 – Calorimetria
57 – Calor e trabalho
58 – Equivalência de calor e trabalho
59 – Primeira Lei da Termodinâmica
60 – Sombra e penumbra
61 – Luz, superfície e cor dos objetos
62 – Modelo mecânico para reflexão
63 – Modelo mecânico para refração
64 – Desvio no feixe de luz
65 – Composição e decomposição da luz
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66 – Imagens nas lentes
67 – Polarização da luz
68 – Interferência luminosa
69 – Interações entre corpos eletrizados
70 – Eletrização por atrito e por contato
71 – Eletrização por indução
72 – Condutores e isolantes elétricos
73 – Campo elétrico
74 – Configurações do campo elétrico
75 – Ionização – Poder das pontas – blindagem eletrostática
76 – Trabalho no campo elétrico
77 – Condensador de cargas (garrafa de Leyden)
78 – Tensão corrente elétrica e resistência elétrica
79 – Relação entre V,R e I uso do multímetro
80 – Resistores elétricos Ôhmicos e não Ôhmicos
81 – Associações de resistores
82 – Efeito Joule – potência elétrica
83 – Campo magnético em um condutor elétrico (experiência de
Oersted)
84 – Corrente induzida – Lei de Lenz – Auto indução
85 – Corrente elétrica, continua e alternada
86 – Campo magnético – Imãs permanentes e temporários
87 – Força sobre um condutor dentro de um campo magnético
88 – transformador elétrico
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